CN102645212A - 一种微型热驱动气流陀螺及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型角速度传感器，特别是涉及一种微型热驱动气流陀螺。本发明包括微腔体、三根加热元件、两对热敏元件、检测电路和控制电路模块构成；微腔体高度为100微米～1000微米；加热元件和热敏元件悬固在微腔体的中部，加热元件在微腔体中左右平行排列，相邻两根加热元件之间均有一对热敏元件，每对热敏元件对称分布在微腔体的前后侧；检测电路可检测热敏元件温度信号；控制电路可控制加热元件加热。本发明微腔体中气体热膨胀流或收缩流稳定，气流可控性好；有效抑制热对流，减小外界加速度对传感器灵敏度的影响。

Description

一种微型热驱动气流陀螺及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种微型角速度传感器，特别是涉及一种微型热驱动气流陀螺及其制作方法。

背景技术

微型、高性能的惯性传感器在航空、航天、车辆、船舶、机器人等行业有广泛的应用需求，微角速率陀螺就是其中一员。常规微角速率陀螺采用固体质量块振动，并采用电容等方式检测哥氏力产生的质量块在与驱动方向垂直方向上的运动，该设计结构复杂，有活动部件(质量块)，需要采用复杂的硅加工工艺，工艺难度较大，由此带来可靠性差，产品合格率低。

基于流体的角速度传感器以流体代替运动质量块，不仅可以简化传感结构，并可以极大地提高传感器的抗冲击能力。基于单向射流的角速度传感目前已经在宏观结构中得以实现，例如专利US5107707-A。利用该专利技术公开的传感结构进行角速度检测时，不能去除非哥氏效应的加速度信号的影响，在有加速度存在时使得检测无效。

利用流体背向流动的角速度传感结构则可以通过差动处理消除非哥氏效应加速度的影响，基于该种原理的角速度传感器已有微型射流陀螺(专利号：ZL01119802.8)、微槽道流体角速率传感器(专利号：200410091707.4)和微型热流陀螺(专利号：ZL01129700.X)三个专利。微型射流陀螺是利用小孔径管道连通三个封闭腔体，驱动中间腔体上的薄膜，使得在另外两个腔体中产生背向射流，通过检测射流的偏转反映角速度；微槽道流体角速率传感器是利用在一封闭腔体顶部设置的驱动膜，驱动膜运动在腔体中产生由中心向周边发散和收缩的流体运动，在腔体下部设置凸台及槽道结构引导流体产生定向运动，检测该定向运动流体在角速度作用下的偏转以反映角速度；微型热流陀螺是在一封闭腔体中利用热对流和热膨胀的原理实现流体的背向运动，通过检测热流的偏转反映角速度。前两种结构含有驱动的运动部件，结构复杂，制作难度大；第三种结构简单，制作容易，但热流速度较低，传感器灵敏度差，所利用的热对流速度还受到纵向加速度的影响，因此陀螺灵敏度与外界加速度有关。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种稳定热膨胀流或收缩流，并且减小外界加速度对陀螺灵敏度的影响。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种微型热驱动气流陀螺，其包括微腔体、三根加热元件、两对热敏元件以及检测电路和控制电路模块；所述微腔体高度为100微米～1000微米；所述三根加热元件和两对热敏元件悬固在微腔体的中部；所述三根加热元件在所述微腔体中左右平行排列，依次间隔布置；相邻两根加热元件之间均有一对热敏组件，每对热敏组件对称分布在微腔体的前后侧；所述检测电路和控制电路模块包括检测电路单元和控制电路单元，检测电路单元与各热敏元件相连，检测热敏元件温度信号；控制电路单元，与各加热元件相连，控制加热元件加热。

其中，所述检测电路单元包括：位于相邻两根加热元件之间的两热敏元件与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏元件和参考电阻之间节点与一级差动放大器的输入端相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；所述二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连；所述相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连；所述低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连，实现角速度测量。

其中，所述控制电路单元包括交流电信号发生器，其与所述三根加热元件中位于中间的加热元件相连且其驱动的交流电信号作用于中间的加热元件，同时该交流电信号经移相180度后作用于所述三根加热元件中左、右两侧的加热元件。

其中，所述交流电信号发生器驱动的交流电信号通过与交流电信号发生器相连的移相器进行移相调节，移相器与所述检测电路单元中的相敏解调器相连，作为所述检测电路单元中的相敏解调器的参考信号。

其中，所述两个一级差动放大器中其中一个的输出端连接反相放大器，反相放大器的输出端和另一个一级差动放大器的输出端分别与另一个二级差动放大器的输入端相连；该另一个二级差动放大器的输出端与另一个相敏解调器的输入端相连；该另一个相敏解调器的输出端与另一个低通滤波器的输入端相连；该另一个低通滤波器的输出端与另一个直流放大器的输入端相连，实现加速度测量。

其中，所述加速度测量另一种方法为：所述两个一级差动放大器中其中一个的输出端同时连接一个二选一选通开关的一个输入端和反相放大器输入端，反相放大器的输出端与所述二选一选通开关的另外一个输入端相连，二选一选通开关的输出端和另一个一级差动放大器的输出端分别与一个二级差动放大器的两个输入端相连；该二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连；该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连；该低通滤波器的输出端与另一个直流放大器的输入端相连，二选一选通开关由切换控制部分选择，实现角速度和加速度的选择性测量。

本发明还提供了一种基于上述微型热驱动气流陀螺的制作方法，其过程为：在基材上刻蚀出下腔体结构，然后将其置于密封管壳之内或者同样采用刻蚀工艺刻蚀上腔体结构，再通过键合工艺粘贴上下基材，形成密封腔体。

其中，在将下腔体置于密封管壳之内或者通过键合工艺将两块基材粘贴前采用薄膜沉积技术在下腔体结构上制备悬固在密封腔体中部的加热元件和热敏元件。

其中，所述基材为半导体硅材料或玻璃材料。

其中，所述采用薄膜沉积技术制备的加热元件和热敏元件为Cr/Pt复合材料。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：

1、用于热驱动的加热元件设置有三个，分布于热敏元件的左右两侧，通过交替加电可以实现交替的热驱动，在两两加热元件之间的区域内形成稳定的热膨胀流，气流可控性好。

2、通过设置微腔体高度为百微米量级，以抑制热对流、增大热膨胀/收缩流，由于热膨胀/收缩流由热驱动产生，不受外界加速度影响，从而大大减小加速度对传感器灵敏度的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中微型热驱动气流陀螺主剖视图；

图2是图1中A-A方向俯视剖面图；

图3是本发明实施例中一种检测电路和控制电路模块的原理图；

图4是本发明实施例中另一种检测电路和控制电路模块的原理图。

其中，1：第一热敏元件；2：第二热敏元件；3：第三热敏元件；4：第四热敏元件；5：左加热元件；6：中间加热元件；7：右加热元件；8：硅片；9：下腔体；10：上腔体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的一种微型热驱动气流陀螺的结构如图1所示，图2是图1中的A-A方向俯视剖面图，参照图示，本实施例陀螺包括：微腔体、三根加热元件、两对热敏元件、检测电路和控制电路模块。具体地，微腔体由下腔体9和上腔体10组成，下腔体9和上腔体10均为在硅片8上采用体硅腐蚀技术蚀刻而成，将具有上腔体10或下腔体9结构的两块硅片8通过键合技术粘贴起来形成封闭腔体。

下腔体9上设置有三根加热元件和对称分布的四个热敏元件，加热元件为电阻丝，热敏元件为热敏电阻，加热元件和热敏元件悬固在下腔体9上。加热元件和热敏元件采用薄膜沉积技术制备，所选材料为Cr/Pt复合材料。其中，三根加热元件分别为图1和图2中所示的左加热元件5、中间加热元件6和右加热元件7，四个热敏元件分别为图1和图2中所示的第一热敏元件1、第二热敏元件2、第三热敏元件3和第四热敏元件4，左加热元件5、中间加热元件6和右加热元件7依次间隔布置，第一热敏元件1和第二热敏元件2在左加热元件5和中间加热元件6之间且前后对称分布；第三热敏元件3和第四热敏元件4在中间加热元件6和右加热元件7之间且前后对称分布。各加热元件和热敏元件在微腔体中的位置关系详细可参见图2所示。

本实施例中的微型热驱动气流陀螺的工作原理是：加热元件受到电功率调制，进行交变加热，中间加热元件6分别与左加热元件5和右加热元件7的电信号相位差为180度，驱动左加热元件5和右加热元件7的电信号同相。由于交变加热，在各加热元件之间形成交变的温度差，温度差的变化造成气体压强的变化，驱动气体呈现热膨胀或收缩，气体运动表现为沿X轴方向流动，中间加热元件6左右两侧的流体运动方向相反，各加热元件沿X轴方向依次间隔布置，Z轴方向为各加热元件的轴线方向，Y轴方向为垂直于X轴和Z轴所在平面的方向；当有沿Y轴方向的角速度作用时，沿X轴方向流动的气体将由于哥氏效应产生沿Z轴方向的哥氏加速度，气流在哥氏加速度的作用下沿Z轴发生偏转，中间加热元件6左右两侧的气流偏转方向相反，使得第一热敏元件1和第二热敏元件2之间以及第四热敏元件4和第三热敏元件3之间产生相反的温度差异，通过二级差动(即将第一热敏元件1和第二热敏元件2之间的一级差动与第四热敏元件4和第三热敏元件3之间的另一个一级差动相减)可以感测出由角速度造成的温差，从而测量出角速度。如果将第一热敏元件1和第二热敏元件2之间的一级差动与第四热敏元件4和第三热敏元件3之间的另一个一级差动相加，可以感测出平行于加热元件方向(即Z轴方向)的加速度。如果将第一热敏元件1和第四热敏元件4组成一级差动，第二热敏元件2和第三热敏元件3组成另一个一级差动，将这两个一级差动输出后的信号相加，还可以感测出沿X轴方向的加速度。

上述实施例还包括有检测电路和控制电路模块，其中包括检测电路单元和控制电路单元，检测电路和控制电路模块的一种实现方式的原理图如图3所示。

图3中，检测电路单元具体结构为：第一热敏电阻Rt1串联第一参考电阻R1，第二热敏电阻Rt2串联第二参考电阻R2，两串联线路并联，组成第一电阻电桥B1，第一热敏电阻Rt1和第二热敏电阻Rt2之间的差动电阻信号通过分别连接该两串联线路的第一差动放大器U1得到；第三热敏电阻Rt3串联第三参考电阻R3，第四热敏电阻Rt4串联第四参考电阻R4，两串联线路并联，组成第二电阻电桥B2，第三热敏电阻Rt3和第四热敏电阻Rt4之间的差动电阻信号通过分别连接该两串联线路的第二差动放大器U2得到；第一热敏电阻Rt1、第二热敏电阻Rt2的差动和第四热敏电阻Rt4、第三热敏电阻Rt3的差动之间的二次差动信号通过分别连接第一差动放大器U1和第二差动放大器U2的第三差动放大器U3得到；经过与第三差动放大器U3相连的第一相敏解调器U4将陀螺信号(即角速度信号)从交变的热源信号中解调出来，再经过与第一相敏解调器U4相连的第一低通滤波器U5消除信号中的高频干扰，由与第一低通滤波器U5相连的第一直流放大器U6将角速度信号放大并输出。检测电路单元中，第一差动放大器U1和第二差动放大器U2的输出信号经过相加还可以实现沿Z轴方向加速度的同步检测。第一差动放大器U1输出信号，经过与第一差动放大器U1相连的反相放大器U7反相后，与第二差动放大器U2输出信号一起输入分别与第二差动放大器U2和反相放大器U7相连的第三差动放大器U8；经过与第三差动放大器U8相连的第二相敏解调器U9将加速度信号从交变的热源信号中解调出来，再经过与第二相敏解调器U9相连的第二低通滤波器U10消除信号中的高频干扰，由与第二低通滤波器U10相连的第二直流放大器U11将加速度信号放大并输出。

图3中控制电路包括：交流电信号发生器U12驱动的交流电信号作用于与交流电信号发生器U12相连的第二加热电阻Rh2，同时该交流电信号通过第二移相器U14移相180度后作用于分别与第二移相器U14相连的两侧的第一加热电阻Rh1和第三加热电阻Rh3，在第二加热电阻Rh2、第一加热电阻Rh1及第三加热电阻Rh3之间产生交变的电加热驱动。交流电信号还通过与交流电信号发生器U12相连的第一移相器U13进行移相调节，作为分别连接第一移相器U13的第一相敏解调器U4和第二相敏解调器U9的参考信号，以实现最大输出。交流电信号发生器U12驱动的交流电信号可以是方波或正弦信号。

此外，本实施例还提供了检测电路和控制电路模块的另一种实现方式的原理图，如图4所示，其中检测电路单元具体结构为：第一热敏电阻Rt1串联第一参考电阻R1，第二热敏电阻Rt2串联第二参考电阻R2，两串联线路并联，组成第一电阻电桥B1，第一热敏电阻Rt1和第二热敏电阻Rt2之间的差动电阻信号通过分别连接该两串联线路的第一差动放大器U1得到；第三热敏电阻Rt3串联第三参考电阻R3，第四热敏电阻Rt4串联第四参考电阻R4，两串联线路并联，组成第二电阻电桥B2，第三热敏电阻Rt3和第四热敏电阻Rt4之间的差动电阻信号通过分别连接该两串联线路的第二差动放大器U2得到；第一差动放大器U1输出端一支连接二选一选通开关K1的一个输入端，另一支连接反相放大器U7输入端；反相放大器U7输出端连接二选一选通开关K1的另一输入端，二选一选通开关K1的控制输入端与切换控制部分U15连接，切换控制部分U15选择第一差动放大器U1输出端连通二选一选通开关K1输出端时，检测电路检测角速度，切换控制部分U15选择反相放大器U7输出端连通二选一选通开关K1输出端时，检测电路检测加速度；二选一选通开关K1输出信号和第四热敏电阻Rt4、第三热敏电阻Rt3的差动之间的二次差动信号通过分别连接二选一选通开关K1和第二差动放大器U2的第三差动放大器U3得到；经过与第三差动放大器U3相连的相敏解调器U4将陀螺信号(即角速度信号)或者加速度信号从交变的热源信号中解调出来，再经过与相敏解调器U4相连的低通滤波器U5消除信号中的高频干扰，由与低通滤波器U5相连的直流放大器U6将角速度信号或者加速度信号放大并输出。

图4中控制电路包括：交流电信号发生器U12驱动的交流电信号作用于与交流电信号发生器U12相连的第二加热电阻Rh2，同时该交流电信号通过第二移相器U14移相180度后作用于分别与第二移相器U14相连的两侧的第一加热电阻Rh1和第三加热电阻Rh3，在第二加热电阻Rh2、第一加热电阻Rh1及第三加热电阻Rh3之间产生交变的电加热驱动。交流电信号还通过与交流电信号发生器U12相连的第一移相器U13进行移相调节，作为连接移相器U13的相敏解调器U4的参考信号，以实现最大输出。交流电信号发生器U12驱动的交流电信号可以是方波或正弦信号。

本实施例微腔体的高度为百微米量级，可以抑制气体的热对流运动，从而大大减小纵向加速度对传感器性能的影响；根据对传感器性能的要求，可以在100微米～1000微米范围内任意选择，例如以上实施例中的微腔体高度可以为300微米、500微米或1000微米等尺寸。

上述实施例中制作微腔体的材料还可以是其他半导体硅材料或玻璃材料，其制备方法与上述的下腔体9和上腔体10的形成方式相同，即在所选用基材上刻蚀出下腔体9结构，然后将其置于密封管壳之内，或者同样采用刻蚀工艺刻蚀上腔体10结构，再通过键合工艺粘贴上下基材，形成密封腔体；在将下腔体9置于密封管壳之内或者通过键合工艺将两块基材粘贴前，采用薄膜沉积技术在下腔体9结构上按照上述所描述的结构方式制备所述悬固在密封腔体中部的加热元件和热敏元件。

由以上实施方式可以看出，本发明用于热驱动的加热元件设置有三个，分布于热敏元件的左右两侧，通过交替加电可以实现交替的热驱动，在两两加热元件之间的区域内形成稳定的热膨胀流，气流可控性好；通过设置微腔体高度为百微米量级，以抑制热对流、增大热膨胀/收缩流，由于热膨胀/收缩流由热驱动产生，不受外界加速度影响，从而大大减小加速度对传感器灵敏度的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型热驱动气流陀螺，其特征在于，包括微腔体、三根加热元件、两对热敏元件以及检测电路和控制电路模块；所述微腔体高度为100微米～1000微米；所述三根加热元件和两对热敏元件悬固在微腔体的中部；所述三根加热元件在所述微腔体中左右平行排列，依次间隔布置；相邻两根加热元件之间均有一对热敏组件，每对热敏组件对称分布在微腔体的前后侧；所述检测电路和控制电路模块包括检测电路单元和控制电路单元，检测电路单元与各热敏元件相连，检测热敏元件温度信号；控制电路单元，与各加热元件相连，控制加热元件加热。

2.如权利要求1所述的微型热驱动气流陀螺，其特征在于，所述检测电路单元包括：位于相邻两根加热元件之间的两热敏元件与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏元件和参考电阻之间节点与一级差动放大器的输入端相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；所述二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连；所述相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连；所述低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连，实现角速度测量。

3.如权利要求2所述的微型热驱动气流陀螺，其特征在于，所述控制电路单元包括交流电信号发生器，其与所述三根加热元件中位于中间的加热元件相连且其驱动的交流电信号作用于中间的加热元件，同时该交流电信号经移相180度后作用于所述三根加热元件中左、右两侧的加热元件。

4.如权利要求3所述的微型热驱动气流陀螺，其特征在于，所述交流电信号发生器驱动的交流电信号通过与交流电信号发生器相连的移相器进行移相调节，移相器与所述检测电路单元中的相敏解调器相连，作为所述检测电路单元中的相敏解调器的参考信号。

5.如权利要求2所述的微型热驱动气流陀螺，其特征在于，所述两个一级差动放大器中其中一个的输出端连接反相放大器，反相放大器的输出端和另一个一级差动放大器的输出端分别与另一个二级差动放大器的两个输入端相连；该另一个二级差动放大器的输出端与另一个相敏解调器的输入端相连；该另一个相敏解调器的输出端与另一个低通滤波器的输入端相连；该另一个低通滤波器的输出端与另一个直流放大器的输入端相连，实现加速度测量。

6.如权利要求2所述的微型热驱动气流陀螺，其特征在于，所述两个一级差动放大器中其中一个的输出端同时连接一个二选一选通开关的一个输入端和反相放大器输入端，反相放大器的输出端与所述二选一选通开关的另外一个输入端相连，二选一选通开关的输出端和另一个一级差动放大器的输出端分别与一个二级差动放大器的两个输入端相连；该二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连；该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连；该低通滤波器的输出端与另一个直流放大器的输入端相连，二选一选通开关由切换控制部分选择，实现角速度和加速度的选择性测量。

7.基于权利要求1中微型热驱动气流陀螺的制作方法，其特征在于，在基材上刻蚀出下腔体结构，然后将其置于密封管壳之内，或者同样采用刻蚀工艺刻蚀上腔体结构，再通过键合工艺粘贴上下基材，形成密封腔体。

8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在将下腔体置于密封管壳之内或者通过键合工艺将两块基材粘贴前采用薄膜沉积技术在下腔体结构上制备悬固在密封腔体中部的加热元件和热敏元件。

9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述基材为半导体硅材料或玻璃材料。

10.如权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述采用薄膜沉积技术制备的加热元件和热敏元件为Cr/Pt复合材料。

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