CN101430341B - 圆片级三轴热对流加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆片级三轴热对流加速度传感器，包括底部圆片，所述底部圆片上设置有开放的刻蚀腔，刻蚀腔内设置有加热器和温度传感器，在底部圆片集成信号处理电路和控制电路，其特征在于：还包括一个盖子圆片，盖子圆片具有一个开放的刻蚀腔，内部设置有加热器和温度传感器，所述盖子圆片的刻蚀腔与底部圆片的刻蚀腔形成一个密闭的腔体，在腔体内填充介质。本发明解决了三轴加速度传感器z轴实际微分信号获取的问题，测量加速度时信号强度强、稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种三轴热对流加速度传感器，广泛应用于汽车、飞机、消费电子产品、游戏机、机器人、通信电子、安全系统等领域。
背景技术
加速度传感器在交通运输、民用产品、工业控制、机器人及军事等领域都有着广阔的应用前景。目前应用的加速度传感器，其普遍特点是需要检验质量块，质量块的存在会使得传感器耐冲击能力弱、测量范围窄、可靠性低、尺寸不易减小、成本不易降低。另外，对质量块运动的检测也存在其他问题，如压电或者压阻式加速度计受温度影响比较明显，而电容式加速度计则受初始寄生电容影响较大。
热对流型加速度传感器正在占领越来越大的市场份额，但三轴热对流加速度传感器Z轴方向的信号却无法满足使用需要。专利(申请)号为US20050274187的美国专利申请公开了一种三轴加速度传感器，包括一个芯片硅衬底，在芯片硅衬底上刻蚀形成一个开放的刻蚀腔，在刻蚀腔的上表面有悬空的桥梁结构，在该桥梁结构上设置加热用的电阻丝，以及测温用的温度传感器，在芯片上方有一比刻蚀腔大的封装腔，该刻蚀腔和该封装腔形成整个对流空间，在该对流空间充满流体介质，这种结构的三轴加速度传感器不能真实表示Z轴方向的微分信号，且传感器的信号强度不高，稳定性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可真实地表示垂直方向微分信号，且信号强度强、稳定性好的三轴加速度传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种圆片级三轴热对流加速度传感器，包括底部圆片，所述底部圆片上设置有开放的刻蚀腔，刻蚀腔内设置有加热器和温度传感器，在底部圆片集成信号处理电路和控制电路，其特征在于：还包括一个盖子圆片，盖子圆片具有一个开放的刻蚀腔，内部设置有加热器和温度传感器，所述盖子圆片的刻蚀腔与底部圆片的刻蚀腔形成一个密闭的腔体，在腔体内填充介质，在盖子圆片刻蚀腔和底部圆片刻蚀腔内各设置有一个加热器和四个温度传感器，所述加热器位于刻蚀腔内其所在平面的中心处，所述温度传感器分布在同一刻蚀腔内加热器所在平面，并对称设置在以刻蚀腔中心为原点的正交轴上，盖子圆片刻蚀腔和底部圆片刻蚀腔内的加热器位置两两相对、温度传感器位置两两相对。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述底部圆片的刻蚀腔和盖子圆片的刻蚀腔形状相同、大小相等，位置相对应。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：在盖子圆片和底部圆片中间放置一个间隔圆片，间隔圆片在上述刻蚀腔的相应位置具有一个和上述两个刻蚀腔形状相同、大小相等的孔洞，孔洞与盖子圆片刻蚀腔、底部圆片刻蚀腔形成一个密闭的腔体。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述介质为液体介质或气体介质。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述温度传感器为热电偶或pn结热敏器件。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述盖子圆片刻蚀腔和底部圆片刻蚀腔为方形。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述盖子圆片刻蚀腔和底部圆片刻蚀腔长和宽均为1mm，高为500-600μm。
前述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述底部圆片、盖子圆片和间隔圆片之间为焊接连接。
另一种圆片级三轴热对流加速度传感器，包括底部圆片，所述底部圆片上设置有开放的刻蚀腔，刻蚀腔内设置有加热器和温度传感器，在底部圆片集成信号处理电路和控制电路，其特征在于：还包括一个盖子圆片，盖子圆片具有一个开放的刻蚀腔，内部设置有加热器和温度传感器，所述盖子圆片的刻蚀腔与底部圆片的刻蚀腔形成一个密闭的腔体，在腔体内填充介质，在盖子圆片刻蚀腔和底部圆片刻蚀腔内各设置有四个附有温度传感器的加热器，四个附有温度传感器的加热器位于同一平面内，且对称分布在以此平面刻蚀腔中心为原点的正交平面的四个象限内，盖子圆片刻蚀腔和底部圆片刻蚀腔内的附有温度传感器的加热器位置两两相对。
本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器利用热对流的原理实现对加速度的测量。当运动加速度向上时，加热器所处平面的气流会由边缘流向中心以补偿在加热器处向上流出的气体，即加热器位置热气体上升，周围气流下降。温度传感器处的温度会随着加速度的方向和大小变化而改变，从而测得加速度，解决了Z轴实际微分信号获取的问题，使得器件性能显著提高。
本发明所达到的有益效果：本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器由盖子圆片与底部圆片组成一密闭的空间，并在其内设置有加热器与温度传感器，利用热对流的原理实现对加速度的测量，解决了Z轴实际微分信号获取的问题，测量加速度时信号强度强、稳定性强。
附图说明
图1为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例一的结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例一中温度传感器的相对位置分布示意图；
图4为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例二的结构示意图；
图5为图3的A-A向剖视图；
图6为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例二中附有温度传感器的加热器的相对位置分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种圆片级三轴热对流加速度传感器，包括底部圆片2，所述底部圆片2上设置有开放的刻蚀腔3b，刻蚀腔内设置有加热器5和温度传感器6，在底部圆片集成信号处理电路和控制电路，其特征在于：还包括一个盖子圆片1，盖子圆片1具有一个开放的刻蚀腔3a，内部设置有加热器5和温度传感器6，所述盖子圆片的刻蚀腔3a与底部圆片的刻蚀腔3b形成一个密闭的腔体，在腔体内填充介质。
所述底部圆片的刻蚀腔3b和盖子圆片的刻蚀腔3a形状相同、大小相等，位置相对应。
在盖子圆片和底部圆片中间放置一个间隔圆片4，间隔圆片4在上述刻蚀腔的相应位置具有一个和上述两个刻蚀腔形状相同、大小相等的孔洞，孔洞与盖子圆片刻蚀腔3a、底部圆片刻蚀腔3b形成一个密闭的腔体。
在盖子圆片刻蚀腔3a和底部圆片刻蚀腔3b内各设置有一个加热器5和四个温度传感器6，所述加热器5位于刻蚀腔内其所在平面的中心处，所述温度传感器6分布在同一刻蚀腔内加热器5所在平面，并对称设置在以刻蚀腔中心为原点的正交轴上，盖子圆片刻蚀腔3a和底部圆片刻蚀腔3b内的加热器位置两两相对、温度传感器位置两两相对。
在盖子圆片刻蚀腔3a和底部圆片刻蚀腔3b内亦可各设置有四个附有温度传感器的加热器5，四个加热器5位于同一平面内，且对称分布在以此平面刻蚀腔中心为原点的正交平面的四个象限内，盖子圆片刻蚀腔3a和底部圆片刻蚀腔3b内的加热器位置两两相对。
所述介质可为液体介质或气体介质。
所述温度传感器可以为热电偶、热敏电阻或pn结热敏器件。
所述盖子圆片刻蚀腔3a和底部圆片刻蚀腔3b为方形，长和宽均为1mm，高为500-600μm。
所述底部圆片、盖子圆片和间隔圆片之间为焊接连接。
在实际测量中，刻蚀腔内从边缘到中心的同一直线上各个不同位置变化幅度各不相同，因此可以通过放置温度传感器或加热器提取信号，获得最好的X轴方向，Y轴方向和Z轴方向的加速度信号。
图1为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例一的结构示意图；图2为图1的A-A向剖视图；图3为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例一中附有温度传感器的加热器的相对位置分布示意图。
盖子圆片和底部圆片空腔中央各有一个加热器，加热器所在平面的X轴，Y轴上对称分布四个温度传感器。该结构共有两个加热器和8个温度传感器。那么，
X轴方向信号为(V+VI+VII+VIII)-(I+II+III+IV)
Y轴方向信号为(I+IV+V+VIII)-(II+III+VI+VII)
Z轴方向信号为(I+II+V+VI)-(III+IV+VII+VIII)
这种设计可以很大程度上消除信号的零点漂移。在上述方法中温度传感器在XY方向对称放置了4组是为了抵消XY方向加速度对Z轴加速度测量的影响。
图4为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例二的结构示意图；
图5为图4的A-A向剖视图；图6为本发明的圆片级三轴热对流加速度传感器实施例二中附有温度传感器的加热器的相对位置分布示意图。
盖子圆片1和底部圆片2刻蚀腔内各设置有四个附有温度传感器的加热器，
四个加热器位于同一平面内，且对称分布在以刻蚀腔圆心为原点的正交轴上。该结构共有8个附有温度传感器的加热器，那么
X轴方向信号为(Va+VIa+VIIa+VIIIa)-(Ia+IIa+IIIa+IVa)
Y轴方向信号为(Ia+IVa+Va+VIIIa)-(IIa+IIIa+VIa+VIIa)
Z轴方向信号为(Ia+IIa+Va+VIa)-(IIIa+IVa+VIIa+VIIIa)。
Claims (9)
1.一种圆片级三轴热对流加速度传感器，包括底部圆片(2)，所述底部圆片(2)上设置有开放的刻蚀腔(3b)，刻蚀腔内设置有加热器(5)和温度传感器(6)，在底部圆片集成信号处理电路和控制电路，其特征在于：还包括一个盖子圆片(1)，盖子圆片(1)具有一个开放的刻蚀腔(3a)，内部设置有加热器(5)和温度传感器(6)，所述盖子圆片的刻蚀腔(3a)与底部圆片的刻蚀腔(3b)形成一个密闭的腔体，在腔体内填充介质，在盖子圆片刻蚀腔(3a)和底部圆片刻蚀腔(3b)内各设置有一个加热器(5)和四个温度传感器(6)，所述加热器(5)位于刻蚀腔内其所在平面的中心处，所述温度传感器(6)分布在同一刻蚀腔内加热器(5)所在平面，并对称设置在以刻蚀腔中心为原点的正交轴上，盖子圆片刻蚀腔(3a)和底部圆片刻蚀腔(3b)内的加热器位置两两相对、温度传感器位置两两相对。
2.根据权利要求1所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述底部圆片的刻蚀腔(3b)和盖子圆片的刻蚀腔(3a)形状相同、大小相等，位置相对应。
3.根据权利要求1所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：在盖子圆片和底部圆片中间放置一个间隔圆片(4)，间隔圆片(4)在上述刻蚀腔的相应位置具有一个和上述两个刻蚀腔形状相同、大小相等的孔洞，孔洞与盖子圆片刻蚀腔(3a)、底部圆片刻蚀腔(3b)形成一个密闭的腔体。
4.根据权利要求1所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述介质为液体介质或气体介质。
5.根据权利要求1所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述温度传感器为热电偶或pn结热敏器件。
6.根据权利要求1所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述盖子圆片刻蚀腔(3a)和底部圆片刻蚀腔(3b)为方形。
7.根据权利要求6所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述盖子圆片刻蚀腔(3a)和底部圆片刻蚀腔(3b)长和宽均为1mm，高为500-600μm。
8.根据权利要求3所述的圆片级三轴热对流加速度传感器，其特征在于：所述底部圆片(2)、盖子圆片(1)和间隔圆片(4)之间为焊接连接。
9.一种圆片级三轴热对流加速度传感器，包括底部圆片(2)，所述底部圆片(2)上设置有开放的刻蚀腔(3b)，刻蚀腔内设置有加热器(5)和温度传感器(6)，在底部圆片集成信号处理电路和控制电路，其特征在于：还包括一个盖子圆片(1)，盖子圆片(1)具有一个开放的刻蚀腔(3a)，内部设置有加热器(5)和温度传感器(6)，所述盖子圆片的刻蚀腔(3a)与底部圆片的刻蚀腔(3b)形成一个密闭的腔体，在腔体内填充介质，在盖子圆片刻蚀腔(3a)和底部圆片刻蚀腔(3b)内各设置有四个附有温度传感器的加热器(5)，四个附有温度传感器的加热器(5)位于同一平面内，且对称分布在以此平面刻蚀腔中心为原点的正交平面的四个象限内，盖子圆片刻蚀腔(3a)和底部圆片刻蚀腔(3b)内的附有温度传感器的加热器位置两两相对。
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