CN106338614B - 微型单循环气流式z轴pet角速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器，该气流式角速度传感器包括单循环气流式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片和引线，其中单循环气流式Z轴角速度芯片包括PET盖板、硅板和PET底座；其中，PET盖板上设置有气流回路；硅板上设置有一对平行敏感热线；PET底座上设置有压电陶瓷振子和气流回路；PET盖板、硅板和PET底座依次连接构成单循环气流式Z轴角速度芯片。本申请的气流式角速度传感器射流敏感室内的热线较长，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，实用性强；以气体作为敏感质量，抗高过载、耐强冲击；制作成本低，仅为全硅结构的1/10；采用密闭空间内的单循环气流作为角速度气流敏感体，角速度传感器的稳定性好，角速度传感器灵敏度较大。
Description
技术领域
本发明涉及利用哥氏力原理检测运动体角速度姿态参数的技术领域，尤其是涉及一种微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器。用于无人机、可穿戴式设备、头盔、智能机器人、摄像机等微型载体的稳定系统。
背景技术
现有技术中以微机械振动角速度传感器为代表的微型角速度传感器的角速度芯片内一般设置有固体框架或梁，抗冲击振动能力差，而气流式角速度传感器以气体作为敏感质量，结构简单，通过哥氏力使气流敏感体偏转来实现角参数的测量，因此这种微型角速度传感器抗高过载、耐强冲击、成本低。中国专利89105999.7提出的高灵敏度压电射流角速度传感器，它由敏感器件的壳体、喷嘴体、敏感元件、压电泵、泵座、碟簧、锁紧螺母和外部电路系统以及机械系统组成，这种角速度传感器的敏感元件是用铜、铝或不锈钢等材料利用传统机械加工制作，敏感元件体积大，功率高，不能用于微型载体姿态测量和控制领域，它的热线是手工焊接，很难保证热线的平行度和垂直度，因此交叉耦合大，一致性差，很难批量生产，成本高。现有技术中利用MEMS工艺在硅片中腐蚀出气流网络，但是工艺复杂，成本高，不易达到设计要求；且气流网络的尺度通常小于硅片厚度的一半，由于硅片的厚度薄，只有300μm左右，因此气流网络的尺度很小，气体容量少，在相同角速度输入时它受到的惯性小，气流束偏转小，角速度传感器的灵敏度很小；压电泵振子的有效变形面积与气流网络的截面积一致，尺寸小，驱动气体流动的能力弱，气流速度小，角速度传感器灵敏度低。另外，在现有技术中在硅片上制作的气流网络一般是开放式的，开口和进口与外界相同，易受外界环境影响，角速度传感器稳定性差，虽然成本低，但适用条件苛刻，实用性不强。
因此，如何克服上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器(Z轴角速度传感器是指角速度敏感轴垂直于角速度 芯片表面的角速度传感器)，该气流式角速度传感器以气体作为敏感质量，抗高过载、耐强冲击；制作成本低，仅为全硅结构的1/10；射流敏感室内的热线较长，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，实用性强；采用密闭空间内的单循环气流作为角速度气流敏感体，角速度传感器的稳定性好，角速度传感器灵敏度较大；循环气流敏感体由一个压电陶瓷振子驱动，结构简单，使用寿命长。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器，所述气流式角速度传感器包括由单循环气流式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述的缓冲硅胶片、单循环气流式Z轴角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板依次装在底座上，扣上外壳密封，电源和信号经底座上玻璃灌装的引线引出，所述单循环气流式Z轴角速度芯片包括PET盖板、硅板和PET底座；其中，
所述PET盖板上设置有气流回路；所述硅板上设置有敏感热线；所述PET底座上设置有压电陶瓷振子和气流回路；PET盖板、硅板和PET底座依次连接构成所述单循环气流式Z轴角速度芯片。
进一步，所述PET底座的一侧开设有一圆孔，所述圆孔的边缘设置有高度小于PET底座厚度的台阶，所述压电陶瓷振子粘结在所述台阶上；PET底座的另一侧设置有梯形泵槽和若干个凹槽，所述泵槽的上部与所述圆孔的边缘重合相切，泵槽的底部两端设置有两个排气槽，所述泵槽的底部下方设置有下储气槽，所述下储气槽与所述排气槽连通；排气槽相对于下储气槽的对侧设置有两个长方形的下导流槽，所述导流槽的长度方向为PET底座的长度方向；下导流槽与下储气槽的交汇处设置有两个下进口槽；两个下导流槽的末端设置有两个长方形副槽，所述副槽的长度方向为PET底座的宽度方向；两个副槽相交后沿着PET底座的长度方向开设有中心喷口槽，与所述中心喷口槽连通设置有敏感槽，所述敏感槽的与下储气槽连通。
进一步，所述PET盖板的正面与所述PET底座相对应的一侧开有深度一致的凹槽组合，其形状大小及位置完全与PET底座的下储气槽、下导流槽、副槽、敏感槽、下进口槽一致，分别为上储气槽，上导流槽、上副槽和上敏感槽、上进口槽。
进一步，所述台阶的厚度为所述PET底座厚度的1/3。
进一步，所述下储气槽的深度比所述泵槽的深度浅；所述下导流槽的宽度 比下储气槽的宽度大，所述下导流槽的深度与泵槽的深度一致；所述下进口槽的长度与下储气槽的宽度一致；所述副槽的深度与下储气槽的深度一致；所述中心喷口槽的长度与副槽的宽度一致，中心喷口槽的宽度大于其长度，中心喷口槽的深度与下导流槽的深度一致。
进一步，所述硅板的长度为PET底座长度的一半，宽度小于PET底座的宽度。
进一步，所述硅板上设置有一对敏感热线，用于敏感Z方向的角速度，一对敏感热线均平行设置。敏感Z方向角速度的一对敏感热线分别设置在所述敏感槽上方的硅板上，该对敏感热线的径向与敏感槽长度方向的轴线平行。
进一步，所述敏感热线的长度为敏感槽长度的3/4，由高温度系数的金属钨、SiO2和Si构成。
进一步，所述一对敏感热线分别作为所述PCB电路板中信号处理电路的惠斯登电桥的两个臂设置。
进一步，所述PET盖板和PET底座均采用PET高精度激光切割成型加工工艺制作；所述硅板采用标准的MEMS工艺制作。
本发明具有以下积极的技术效果：
(1)射流敏感室内的热线较长，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，实用性强.
(2)除了热线以外，均采用成本低且适合做微气流网络的PET薄板制作，成本低，仅为全硅结构的1/10。
(4)采用密闭空间内的单循环气流作为角速度气流敏感体，角速度传感器的稳定性好，角速度传感器灵敏度较大。
(5)实现了压电泵振子尺寸的最大化，气流网络的横截面是现有技术横截面的5～10倍，气流式角速度传感器灵敏度高。
附图说明
图1为本申请的微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器立体图；
图2为本申请的单循环气流式Z轴角速度芯片的拆分状态立体图；
图3(a)为本申请的PET底座正面结构示意图；
图3(b)为本申请的PET底座反面结构示意图；
图4(a)为本申请的PET盖板正面结构示意图；
图4(b)为本申请的PET盖板反面结构示意图；
图5为本申请的单循环气流式Z轴角速度芯片中硅板的结构示意图；
图6为本申请的微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器的工作原理图；
图7为本申请的PCB板中信号处理电路的结构示意图；
图8为本申请的PCB板中惠斯登电桥的结构示意图；
图9为本申请的微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器灵敏度曲线。
图中标号说明：1-单循环气流式Z轴角速度芯片；2-PCB电路板；3-底座；4-外壳；5-缓冲硅胶片；6-引线；7-PMMA盖板；8-硅板；9-PMMA底座；10-压电陶瓷振子；11-圆孔；12-台阶；13-泵槽；14a、14b-排气槽；15-下储气槽；16a、16b-导流槽；17a、17b-下进口槽；18a、18b-副槽；19-中心喷口槽；20-下敏感槽；21-上储气槽；22a、22b-上导流槽；23a、23b-上副槽；24-上敏感槽；25a、25b-上进口槽；26a、26b-排气孔；27-储气孔；28a、28b-导流孔；29a、29b-副孔；30-主孔；31a、31b-进口孔；32-中心喷口孔；33a和33b-一对平行热线；34-泵室；35a、35b-进口；36-储气室；37a、37b-导流室；38a、38b-副室；39-中心喷口室；40-敏感室；41a、41b-排气口；42-中心喷口；43a、43b-旁喷口；44-出口；45-惠斯登电桥
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
如图1所示，本发明的微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器由单循环气流式Z轴角速度芯片1、PCB电路板2、底座3、外壳4、缓冲硅胶片5、引线6组成，缓冲硅胶片5、开放式Z轴角速度芯片1和与其实现电气连接的PCB电路板2依次装在底座上3，扣上外壳4密封，电源和信号经底座3上玻璃灌 装的引线6引出。
如图2所示，单循环气流式Z轴角速度芯片1包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)盖板7、硅板8、PET底座9；设置有凹槽的PET盖板7、表面设置热线的硅板8、有气流网络和压电陶瓷振子10的PET底座9等三层长方形平板粘接构成单循环气流式Z轴角速度芯片1。如图3a、3b所示，PET底座9的反面开有圆孔11，在圆孔11的边缘为一高度为PET底座9厚度1/3的台阶12，将压电陶瓷振子10粘接在台阶12上。PET底座9正面与圆孔11对应的一侧开设有梯形凹槽形成泵槽13，泵槽13上端与圆孔11边缘重合相切。梯形泵槽13底部两端两个以泵槽底边中心垂线相对称的小孔为排气槽14a、14b。在PET底座9正面的另一半开有深浅不同的对称的凹槽，与两个排气槽14a、14b相联通的是长方形的下储气槽15，下储气槽15两端与排气槽14a、14b相通。下储气槽15的深度比泵槽13深。排气槽14a、14b相对于下储气槽15的对侧开有两个与泵槽13底边中心垂线相对称的长方形下导流槽16a、16b，其长度方向为PET底座9的长度方向，下导流槽16a、16b宽度比下储气槽15宽，深度与泵槽13一致。下导流槽16a、16b始端与下储气槽15以一正方形的下进口槽17a、17b为过渡，下进口槽17a、17b的长度为储气槽的宽度。与在下导流槽16a、16b的两个末端相通为两个相对的长方形副槽18a、18b，其长度方向为PET底座9的宽度方向，其深度与下储气槽15一致。两个副槽18a、18b相交后沿着PET底座9长度方向开设有长方形凹槽为中心喷口槽19，其长度为副槽18a、18b的宽度，宽度大于副槽18a、18b，深度与下导流槽16a、16b一致。在中心喷口槽19的末端沿着与泵槽13底边中心垂线扩张形成下敏感槽20，其宽度大于下导流槽16a、16b，为PET底座9宽度的1/3，其末端与下储气槽15相通。PET盖板7的正面与PET底座9相对应的一侧开有深度一致的凹槽组合(如图4所示)，其形状大小及位置完全与PET底座9的下储气槽15、下导流槽16a、16b、副槽18a、18b和下敏感槽20、下进口槽17a、17b一致，分别为上储气槽21，上导流槽22a、22b、上副槽23a、23b和上敏感槽24、上进口槽25a、25b。硅板8的长度为PET底座9长度的一半，宽度略小于PET底座9的宽度。在硅板上开孔的组合，其形状大小位置完全与PET底座9的排气槽14a、14b、下储气槽15、下导流槽16a、16b、副槽18a、18b和下敏感槽20、下进口槽17a、17b、中心喷口槽19一致，分别为排气孔26a、26b、储气孔27、导流孔28a、28b、副孔29a、29b和主孔30、进口孔31a、31b、中心喷口孔32。在硅板8的表面设置热线33a和33b(如图5所示)。PET盖板7、硅板8和PET底座9粘接以后，合围形成气流网络。气流网 络由压电陶瓷振子10和泵槽13对应的泵室34；下进口槽17a、17b、上进口槽25a、25b和进口孔31a、31b对应的进口35a、35b；下储气槽15、上储气槽21和储气孔27对应的储气室36；下导流槽16a、16b、上导流槽22a、22b和导流孔28a、28b对应的导流室37a、37b；下副槽18a、18b、上副槽23a、23b对应的副室38a、38b；中心喷口槽19、中心喷口孔33对应的中心喷口室39；下敏感槽20、上敏感槽24、主孔30对应的敏感室40；排气槽14a、14b、排气孔26a、26b对应的排气口41a、41b构成(如图6所示)。在敏感室40与中心喷口室39相接处为中心喷口42，导流室37a、37b与副室38a、38b相接处有深度过渡的地方为两个对称的旁喷口43a、43b。在敏感室40与储气室36相接处为出口44。敏感z方向角速度的一对平行热线33a和33b分别设置在敏感室40中间处的硅板8的表面(z方向垂直于硅板8的表面)，并与敏感室40沿着长度方向的中心轴线平行，热线33a和33b的长度为敏感槽长度的3/4。压电陶瓷振子10、泵室34和排气口41组成压电泵。压电陶瓷振子10的激励电压由PCB电路板上的压电泵驱动电路提供(如图7所示)，在交变电压的作用下压电陶瓷振子10沿着单循环气流式Z轴角速度芯片1厚度方向变形，压电泵驱动气体流动采用动态无阀被动泵，气体进口35a、35b的截面小于中心喷口42的截面小于出口44的截面使气体出口出气速率大于回气速率，利用这种气体阻力代替单向阀的作用，实现气体的定向循环流动，由两个旁喷口43a、43b喷出形成射流，在中心喷口室39加强会聚后从中心喷口42喷出在敏感室40形成射流敏感体。气流中心平面和热线不共面，所在平面相距几百微米。热线33a和33b由高温度系数的金属钨、SiO2和Si构成，硅板8的边缘被覆电极，PET盖板7开相应的口以便露出硅板8的电极便于与PCB电路板2实现电气连接。如图7所示，PCB电路板中有信号处理电路，主要是电源、压电泵驱动电路和惠斯登电桥45通过金丝与单循环气流式Z轴角速度芯片1实现电源和惠斯登电桥的45的引入，以及角速度电压的输出。硅板上表面的一对平行的热线33a和33b作为PCB电路板2中信号处理电路中的惠斯登电桥的两个臂，在敏感室40中通过与随角速度变化的气流的热量交换来敏感z方向的角速度输出与角速度成正比的电压信号VZ(如图8所示)。
本发明利用高精度激光切割成型和微机械工艺相结合制作层状微型气流式角速度传感器，充分利用了PET材料成本低，适合做微气流网络的优势，气流网络的尺度较大，可以得到相当于硅片厚度3～5倍尺度的气流通道，气体容量较大，在相同角速度输入时受到的惯性大，气流束偏较大，角速度传感器的灵敏度较大。
采用密闭空间内的单循环气流作为角速度气流敏感体，相比开放式角速度气流敏感体，受外界影响小，气流状态稳定，角速度传感器的稳定性好。同时在循环气流中设置喷口，形成射流，气流速度大，与热线热量交换多，不仅角速度传感器灵敏度大，同时有助于气流定向循环流动。
本实施例单循环气流式Z轴角速度芯片的制作大部分利用PET薄板采用成熟的PET高精度激光切割成型加工工艺制作，仅有热线的硅板采用标准的MEMS工艺制作。其工艺如下：
(1)在一个厚为200μm的硅板(硅圆片)上下各形成一个热氧化层SiO2作为绝缘层。
(2)上表面溅射大约0.3μm厚的有高TCR(温度系数)的金属层，如钨、钨。用光刻技术在硅片的背面形成气流网络。
(3)PET盖板7和PET底座9可以在厚度为1.5mm的PET薄板上通过高精度激光切割成型输入设计好的相应图形加工而成，PET底座9背面的台阶12表面溅射一层金属电极，粘贴压电陶瓷振子10。
(4)将有热线的硅板8一面和PET盖板7的底部组合粘接。
(5)用深反应离子刻蚀法在硅板8上刻蚀通透形成悬空的热线和气流网络。
(6)最后将有压电陶瓷振子10的PET底座9倒置和硅板8的背面粘接形成单循环气流式Z轴角速度芯片1。
采用上述方式加工的优点是：
(1)单循环气流式Z轴角速度芯片的制作大部分利用PET薄板采用成熟的PET高精度激光切割成型加工工艺制作，仅包含热线的硅板采用标准的MEMS工艺制作，工艺简单，成本为全硅的1/10。
(2)通过上述工艺步骤(3)、(4)、(5)将传统的PET薄板的精细加工和硅片的MEMS工艺有机结合，将含热线的硅片成功嵌入到PET底座上，实现了硅片上的热线和PET底座气流网络的整合，不仅工艺简单，同时也满足了设计要求。
(3)采用的光刻技术能保证热线的正交性和垂直度，因此本发明交叉耦合小。
在Z轴方向有个角速度输入Ωz时，由于科氏效应，从中心喷口42喷出的气流将会发生偏转，从而在敏感室40内的一对平行的热线33a和33b上引起相反的冷却作用。热线33a和33b连接成惠斯登电桥的两个等臂，冷却会使热线电阻发生改变，阻值的改变通过惠斯登电桥转换为与角速度Ωz成正比的电压 VZ输出，从而敏感Z上的角速度。
当有沿着z轴角速度作用传感器时，气流束的偏移量δz
式中，Lz和Vz分别表示从中心喷口42到热线33a和33b的距离、气流在Lz段的平均速度。
灵敏度关系式：
通过分析热线和层状射流之间的热传递现象，可以得到气流式角速度传感器灵敏度的性能。一根热线电阻的变化和流速的关系如下：
式中，l是热敏电阻的长度。
速度增量ΔV和角速度ωi的关系式：
因为气流的偏移量很小，而且热线被设置在流速分布的线性区域，热线上速度增量ΔV和角速度ωi引起的偏移量δωi是成比例的，因此它也和实际角速度ωi成比例，得到：
式中，Ki保持不变，由热线Ri的流速分布的梯度决定。
设热线电流为I，把(3)代入式(2)可得传感器的输出电压为
根据式(4)可以计算传感器的灵敏度，如图7给出本发明模拟敏感度，从图中可以看出，灵敏度SFz＝3.0μV/°/s。
本申请的优点是：射流敏感室内的热线较长，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，是现有技术的三倍左右，实用性强。
Claims (9)
1.一种微型单循环气流式Z轴PET角速度传感器，所述Z轴PET角速度传感器由单循环气流式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述的缓冲硅胶片、单循环气流式Z轴角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板依次装在底座上，扣上外壳密封，电源和信号经底座上玻璃灌装的引线引出，所述单循环气流式Z轴角速度芯片包括PET盖板、硅板和PET底座；其中，
所述PET盖板上设置有气流回路；所述硅板上设置有三自由度敏感热线；所述PET底座上设置有压电陶瓷振子和气流回路；PET盖板、硅板和PET底座依次连接构成所述单循环气流式Z轴角速度芯片；
所述PET底座的一侧开设有一圆孔，所述圆孔的边缘设置有高度小于PET底座厚度的台阶，所述压电陶瓷振子粘结在所述台阶上；PET底座的另一侧设置有梯形泵槽和若干个凹槽，所述泵槽的上部与所述圆孔的边缘重合相切，泵槽的底部两端设置有两个排气槽，所述泵槽的底部下方设置有下储气槽，所述下储气槽与所述排气槽连通；排气槽相对于下储气槽的对侧设置有两个长方形的下导流槽，所述下导流槽的长度方向为PET底座的长度方向；下导流槽与下储气槽的交汇处设置有两个下进口槽；两个下导流槽的末端设置有两个长方形副槽，所述副槽的长度方向为PET底座的宽度方向；两个副槽相交后沿着PET底座的长度方向开设有中心喷口槽，与所述中心喷口槽连通设置有敏感槽，所述敏感槽与下储气槽连通。
2.根据权利要求1所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述PET盖板的正面与所述PET底座相对应的一侧开有深度一致的凹槽组合，其形状大小及位置完全与PET底座的下储气槽、下导流槽、副槽、敏感槽、下进口槽一致，分别为上储气槽、 上导流槽、上副槽和上敏感槽、上进口槽。
3.根据权利要求1所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述台阶的厚度为所述PET底座厚度的1/3。
4.根据权利要求1所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述下储气槽的深度比所述泵槽的深度浅；所述下导流槽的宽度比下储气槽的宽度大，所述下导流槽的深度与泵槽的深度一致；所述下进口槽的长度与下储气槽的宽度一致；所述副槽的深度与下储气槽的深度一致；所述中心喷口槽的长度与副槽的宽度一致，中心喷口槽的宽度大于其长度，中心喷口槽的深度与下导流槽的深度一致。
5.根据权利要求1所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述硅板的长度为PET底座长度的一半，宽度小于PET底座的宽度。
6.根据权利要求5所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述硅板上设置有一对敏感热线，用于敏感Z方向的角速度，一对敏感热线均平行设置；敏感Z方向角速度的一对敏感热线分别设置在所述敏感槽上方的硅板上，该对敏感热线的径向与敏感槽长度方向的轴线平行。
7.根据权利要求6所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述敏感热线的长度为敏感槽长度的3/4，由高温度系数的金属钨、SiO2和Si构成。
8.根据权利要求6所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述一对敏感热线分别作为所述PCB电路板中信号处理电路的惠斯登电桥的两个臂设置。
9.根据权利要求1所述的Z轴PET角速度传感器，其特征在于，所述PET盖板和PET底座均采用PET高精度激光切割成型加工工艺制作；所述硅板采用标准的MEMS工艺制作。
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