CN104482929A - 基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪 - Google Patents

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李以贵
王欢
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    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/14—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of gyroscopes

Abstract

本发明涉及一种基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，具有一个用于测量三轴角速度的角速度计，一个用于测量二轴的加速度的加速度计，一个压电泵，所述角速度计和加速度计的硅芯片四周设有用于气体流动的通道，压电泵置于硅泵槽中，压电泵的上、下面设有TBN光刻胶层，用于密封压电泵中的氩气。本发明与现有的气体陀螺仪相比，增加了用于测量加速度的气体加速度传感器，从而可以在测量各个方向的角速度的同时可以测量施加的加速度，扩大了测量范围，同时，可以方便的与集成电路集成，并降低了成本。

Description

基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种微机电技术领域的传感器，基于热对流原理，使用MEMS技术加工，在能够测量任意方向上的角速度的同时还可以测量两个方向上的加速度的陀螺仪。
背景技术
   陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。
热对流陀螺仪利用气体流速方向在哥氏加速度作用下发生偏转的原理，采用微机械加工技术，用气体作为敏感元件取代了传统微陀螺仪的检验质量，敏感外界输入角速度的变化，并将其转化为气流方向的偏移，通过一对或多对对称布置的热敏器件检测温度的变化来测量出输入角速度的大小。
MEMS 陀螺仪具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗低、易于数字化和智能化等一系列优点, 已在航空、航天、航海、汽车、生物医学和环境监控等领域得到了应用。MEMS 陀螺仪可为各种消费类电子产品, 如手机、照/ 摄相机增值, 增加图像稳定性、提供步行导航并改进用户界面。
 对于可测量任意方向角速度的气体陀螺仪构造和制备技术，专利号（ZL 200910049876.4）中公开了。结构包括压电泵，喷嘴，含金属电阻丝的硅芯片和两个TBN光刻胶层构成。工作气体选择氩气。通过氩气的循环的控制，通过对设置的三对金属电阻丝所构成的惠斯通电桥产生影响，从而测量到各个方向的角速度。
    对于测量加速度的MEMS加速度计也有相关文献阐述其工作原理及设计。吕树海等人在《微纳电子技术》2008年4月第45卷第4期上发表“新型三轴MEMS 热对流加速度传感器的研究”一文中介绍了一种基于热流原理的新型三轴MEMS 热对流加速度传感器。该传感器由三层结构组成，上层和下层结构相似，分布着Z轴方向上与加热器等距离的两对温度传感器, 中间层是一个双轴热对流加速度传感器,中间是加热器, 在X 和Y 方向上等距离对称分布着四对温度传感器。三层结构均采用硅材料, 每层结构上都设有悬梁, 温度传感器和加热器附着在悬梁上, 经过腐蚀和键合工艺后形成一个硅腔体。加热结构位于腔体中心位置, 用于加热硅腔体内的气体产生对流场。当受到加速度时对流气体和温度场发生变化, 从而引起温度传感器的变化, 温度传感器的信号传送给处理电路, 经过处理电路的处理, 输出加速度信号。
     以上两种装置的缺点在于只能实现单一测量加速度或角速度的功能。要想同时获得加速度和角速度信息，则至少需要两种传感器组合使用。
发明内容
       本发明针对现有技术的不足，提出一种基于热流的可同时测量三轴角速度和二轴（X,Y方向）加速度的气体陀螺仪，该陀螺仪可完全使用MEMS体硅工艺实现，成本较低，同时该陀螺仪相当于实现了传统陀螺仪和加速度计的组合功能并能够集成在集成电路板上。
      本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，具有一个用于测量三轴角速度的角速度计，一个用于测量二轴的加速度的加速度计，一个压电泵，所述角速度计和加速度计的硅芯片四周设有用于气体流动的通道，压电泵置于硅泵槽中，压电泵的上、下面设有TBN光刻胶层，用于密封压电泵中的氩气。
     所述硅芯片是金属电阻丝的载体，由金属丝构成惠斯通电桥。 所述金属丝电阻材料为铂。所述陀螺仪工作气体为氩气。
本发明的有益效果是：
本发明和现有的气体陀螺仪相比，增加了用于测量加速度的气体加速度传感器，从而可以在测量各个方向的角速度的同时可以测量施加的加速度，扩大了测量范围，同时，可以方便的与集成电路集成，并降低了成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给本发明的实施例作详细说明：
如图1所示，一种基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，由压电泵1，喷嘴2，含多对金属电阻丝的角速度计3和加速度计4的硅芯片构成，采用MEMS技术，硅芯片四周有设计好的通道用于气体流动，压电泵1置于硅泵槽中，两个TBN光刻胶层分别位于压电泵1的上面和下面，用于密封压电泵1中的氩气。
其中：
圆形陀螺仪整体长度为26MM。芯片的尺寸大小为： 6×6×0.4mm3。压电泵1的振动频率为7KHz。金属电阻丝的材料为铂，电阻温度系数为                                               。加速度计4所用金属电阻丝的结构参数为：200×12×4.5um3(L×W×T）。角速度计3所用金属电阻丝的结构参数为：400×10×2.5um3(L×W×T）。陀螺仪在用TBN密封胶之前需充满氩气。
   上述结构的陀螺仪制造过程如下：
1）              在厚的硅片正反面沉积二氧化硅层，作为绝缘层。
2）              再在正面的二氧化硅层上沉积一层厚的金属铂，并用剥离工艺对铂层进行图形化，同时对硅片背面的二氧化硅层进行光刻。
3）              对TBN光刻胶层进行图形化，并且与硅片的背面进行键合。
4）              采用ICP-DRIE工艺对硅片进行刻蚀，形成金属电阻丝结构和气流通道。
5）              最后，用另一个TBN光刻胶层密封制作好的硅芯片，同时在TBN光刻胶层的槽中安装PZT压电泵。
本发明工作过程：
（1）    打开压电泵1和电路，工作十分钟左右，待陀螺仪中氩气沿两个通道循环稳定，并且通电的金属电阻丝3、4温度也达到稳定后，分别测出无角速度和无加速度时的输出电压。
（2）    当外界有角速度（加速度）时，陀螺仪中气流会发生偏转，流过发热的金属电阻丝3的气流大小也会不同，这样气流对金属电阻丝3的冷却效果不同，有的电阻丝冷却快，与其配成一对的另一个电阻丝就会冷却慢，金属电阻丝的电阻阻值不在相等，惠斯通电桥不平衡，输出电压会发生变化，待输出电压稳定后，测出此时的输出电压。可通过输出电压的变化得知三对金属电阻丝电阻的变化，进而得到每对金属电阻丝的温度变化，从而得出气流的偏移量以及偏移方向，最后得出外加角速度的大小以及方向并同时得到两个方向上的加速度大小。
本发明工作时，每次检测角速度及加速度之前，首先给惠斯通电桥上的三对金属电阻丝和两个气体加速度计通电，电阻丝通电后温度升高，打开陀螺仪末端的压电泵，使氩气在陀螺仪中稳定的循环流动：受到压力作用，氩气从泵中喷出，沿着陀螺仪设计的管道流动，途中气体会均匀喷过三对加速度计和两个气体加速度计。气流对金属电阻丝的冷却效果相同，每对金属电阻丝温度及电阻相同，惠斯通电桥平衡。外界施加角速度时和加速度时，气流方向会受到哥氏加速度的影响而发生偏转，造成对金属电阻丝的不同冷却，对称放置的金属电阻丝的阻值不相同，电桥不再平衡，通过测量电桥的输出电压即可计算出电阻变化量，从而得到外界的角速度和加速度。

Claims (4)

1.一种基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，具有一个用于测量三轴角速度的角速度计（3），一个用于测量二轴的加速度的加速度计（4），一个压电泵（1），其特征在于：所述角速度计（3）和加速度计（4）的硅芯片四周设有用于气体流动的通道，所述压电泵（1）置于硅泵槽中，压电泵（1）的上、下面设有TBN光刻胶层，用于密封压电泵中的氩气。
2.根据权利要求1所述的所述基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，其特征在于：所述硅芯片是金属电阻丝的载体，由金属丝构成惠斯通电桥。
3.根据权利要求2所述的所述基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，其特征在于：所述金属丝电阻材料为铂。
4.根据权利要求1-3任一项所述的所述基于热流能同时测量角速度和的加速度的陀螺仪，其特征在于：所述陀螺仪工作气体为氩气。
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