CN106352863A - 微机械开放气流式z轴角速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，该开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，通过层状的角速度芯片结构形成开放式的气流网络结构，气流网络包括压电陶瓷振子下面的泵腔、入口室和出口敏感室；上硅板的导流孔的横截面积大于泵腔腔口的横截面积但小于合流口的横截面积；PCB电路板的压电泵驱动电路向上盖板上的压电陶瓷振子提供激励电压，出口敏感室中下硅板表面设置一对长的平行热线分别作为PCB电路板中惠斯登电桥的两个臂。本发明出口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。

Description

微机械开放气流式Z轴角速度传感器

技术领域

本发明属于利用哥氏力原理进行运动体角速度姿态测量的技术领域，特别是属于通过高精度激光切割成型和微机械工艺相结合制作的微型气流角速度传感器技术领域。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陀螺为代表的微型角速度传感器敏感元件内一般有振动梁和悬挂装置，在大冲击或强振动时，会因惯性力过大而造成损坏，因此抗冲击能力弱；它的结构和制作工艺复杂，敏感元件不易驱动起来，导致传感器输出信号微弱。射流角速度传感器是利用哥氏力使气流束偏转来实现角参数的测量，它的特点是以气体作为敏感质量，没有复杂的结构，因此有抗高过载、耐强冲击、成本低、寿命长等优点。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，这种一维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工艺在一个硅片中腐蚀出气流网络，气流网络的尺度通常小于硅片厚度的一半，由于硅片的厚度只有300μm左右，因此气流网络的气体容量少，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；另外由于设计的欠缺，气流网络是沿着硅片的表面制作，为了保证压电泵振子的变形方向(振动方向)与气流网络的长度方向一致，驱动气体流动的压电泵一般安装在与硅片表面垂直的硅片截面处，压电泵振子的有效变形面积与气流网络的截面积相对应，通常小于硅片的截面积，由于硅片的截面积与表面积比较两者相差悬殊，与其对应的压电泵振子的尺寸一般小于1mm×1mm，因此它的驱动气体流动的能力很弱，角速度传感器灵敏度低，同时在实际工艺中很难实现粘接，无法实用化和批量生产。

发明内容

针对现有技术中射流角速度传感器所存在的问题，本发明提供一种新型的微机械开放气 流式Z轴气流角速度传感器(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)，采用层状的角速度芯片结构形成开放式的气流网络结构，能够提高气流角速度传感器的灵敏度，并大幅减小体积和功耗；设置较长的热线，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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述缓冲硅胶片、开放式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，所述开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，其中：

上盖板设有第一孔，该第一孔上设有压电陶瓷振子；

上硅板在与上盖板对应的位置设有同样尺寸的第二孔，并设有分别作为上入口通道和上出口通道的两个长孔，上入口通道的长度方向与上出口通道的长度方向垂直；上入口通道在靠近第二孔的一侧与第二孔相通，形成上合流孔；上入口通道与上出口通道相通，形成导流孔；

下硅板设有与上入口通道和上出口通道同样尺寸的两个长孔，分别为下入口通道和下出口通道，下入口通道不与下出口通道相通，下出口通道在与上合流孔相对应的位置形成下合流孔；在下出口通道的下硅板表面设有敏感z方向角速度的一对平行热线；

底板开有两个进口和一个出口，两个进口与下入口通道的两端对应，出口与下出口通道的末端对应；

上盖板、上硅板、下硅板和底板合围形成气流网络，包括压电陶瓷振子下面的泵腔，以及由上入口通道、上出口通道、下入口通道、下出口通道合围而成的入口室和出口敏感室，泵腔在与入口室的相接处形成腔口，入口室的上合流孔、下合流孔形成合流口，上硅板的导流孔的横截面积大于该腔口的横截面积但小于该合流口的横截面积；

PCB电路板设有电源、压电泵驱动电路和一个惠斯登电桥，压电泵驱动电路向上盖板上的压电陶瓷振子提供激励电压，下硅板上的一对平行热线分别作为惠斯登电桥的两个臂。

进一步地，所述上盖板和所述底板的材料为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)板。

进一步地，所述第一孔和第二孔为圆孔，所述压电陶瓷振子为圆形。

进一步地，上入口通道的长度为上出口通道的长度的2倍，上出口通道的宽度为上入口通道宽度的3倍；上出口通道的宽度为上硅板宽度的1/4。

进一步地，敏感z方向角速度的一对平行热线分别设置在距离下出口通道始端1/3出口通道长度处的上硅板的表面，并与下出口通道的轴线平行，热线长度为下出口通道的3/5。

进一步地，上盖板、上硅板、下硅板和底板之间粘接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.以气体作为敏感质量，抗高过载、耐强冲击。

2.体积和功耗是现有技术的1/80，应用领域广阔。

3.开放式的气流网络结构简单，层状敏感元件结构，工艺实现容易，气流角速度传感器的成本低、一致性好。

4.不仅实现了压电泵振子尺寸的最大化，而且气流网络的横截面的是现有技术横截面的2～3倍，气流角速度传感器灵敏度高。

5.出口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。

附图说明

图1是微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器三维结构示意图。

图2是开放式Z轴角速度芯片分段示意图。

图3是微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器工作原理图。

图4是信号处理电路示意图。

图5是惠斯登电桥示意图。

图6是微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器灵敏度曲线图。

图中标号说明：1-开放式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-上盖板；8-上硅板；9-下硅板；10-底板；11-压电陶瓷振子；12a、12b-圆孔；13-台阶；14a、14b-上入口通道；15-上出口通道；16-上合流孔；17-腔口；18-导流孔；19-喷口；20a、20b-下入口通道；21-下出口通道；22-下合流孔；23a和23b-一对平行热线；24a、24b-两个进口；25-出口；26-圆柱形泵腔；27a、27b-入口室；28-出口敏感室；29-合流口；30-压电泵驱动电路；31-惠斯登电桥；32-气流。

具体实施方式

本发明为了减小射流角速度传感器的体积、增大灵敏度、降低成本，提出一种体积小、结构简单、抗高冲击的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

图1是本实施例的微机械开放气流式Z轴角速度传感器三维结构示意图。如该图所示， 该微机械开放气流式Z轴角速度传感器由开放式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。

图2是开放式Z轴角速度芯片1的分段示意图。如该图所示，开放式Z轴角速度芯片1包括上盖板7、上硅板8、下硅板9和底板10，具体来说，是由含一个压电陶瓷振子11的上盖板7、含气流网络的上硅板8、表面有热线的下硅板9和底板10等四层长方形平板粘接而成。本实施例中，上盖板7和底板10采用PET材料，该材料成本低，且容易加工。

如图2所示，上盖板7的一侧开有直径为上盖板长度一半的圆孔12a，压电陶瓷振子11粘接在圆孔12a边缘上一个圆形台阶13上。在其它实施例中，孔和压电振子的形状也可以是圆形以外的其它形状，但是圆形振子的振动变形量最大，效果最好。

如图2所示，上硅板8在与上盖板7对应的一侧也开有同样尺寸的圆孔12b，上硅板8的另一侧开两个长方形的孔，分别为上入口通道14a、14b和上出口通道15。上入口通道14a、14b的长度方向与上出口通道15的长度方向垂直，上入口通道14a、14b靠近圆孔12b的一侧与圆孔12b相通，形成上合流孔16。圆孔12b与上入口通道14a、14b相对应的一侧开口形成腔口17。上入口通道14a、14b与上出口通道15由导流孔18相接，导流孔的末端与上出口通道15连接处为喷口19。上入口通道14a、14b的长度为上出口通道15长度的2倍，上出口通道15宽度为上入口通道14a、14b的宽度的3倍，上出口通道15的宽度为上硅板8宽度的1/4。

如图2所示，下硅板9在与上硅板8的圆孔12b对应的一侧，不做任何处理，另一侧开有与上硅板上同样尺寸大小形状的两个长方形孔，分别为下入口通道20a、20b、下出口通道21和下合流孔22，但是没有导流孔18(即下入口通道不与下出口通道相通)。在下硅板的表面设置热线23a和23b一对平行热线(如图2所示)。敏感z方向(z方向垂直于下硅板9的表面)角速度的一对平行热线23a和23b分别设置在距离下出口通道21始端1/3下出口通道21长度处的上硅板的表面，并与下出口通道21的轴线平行，热线长度为下出口通道21的3/5。下硅板9上的4个条状物是电极，用于进行电气连接(接电或输出用)。

如图2所示，底板10与下硅板9对应的一侧不做任何处理，另一侧开有三个方孔，分别为两个进口24a和24b和一个出口25，两个进口24a和24b的边长大于下入口通道20a、20b的宽度小于下出口通道21的宽度，位置与下硅板下入口通道20a、20b的两端相互对应，出口25则在下硅板下出口通道21的末端，边长与两个进口24a和24b的边长相同。

图3是微机械开放气流式Z轴角速度传感器工作原理图。上盖板7、上硅板8、下硅板9 和底板10粘接以后，合围形成气流网络。气流网络由压电陶瓷振子11下面的圆柱形泵腔26和另一侧的由上入口通道14a、14b、上出口通道15和下入口通道20a、20b、下出口通道21合围成入口室27a、27b和出口敏感室28。圆柱形泵腔26位于敏感元件开放式Z轴角速度芯片1左半部分中心处，在与入口室27a、27b相接处形成腔口17，入口室27a、27b的中间的垂直平分线与泵腔26的中心轴线垂直相交，与腔口17对应的部分为合流口29，出口敏感室28的中心轴线与圆柱形泵腔26的中心轴线垂直相交。

图5是微机械开放气流式Z轴角速度传感器的信号处理电路示意图。压电陶瓷振子11上下圆平面被覆金属电极，粘接在上盖板7的台阶13上；压电陶瓷振子11的激励电压由PCB电路板2上的压电泵驱动电路30提供(如图4所示)，在交变电压的作用下沿着开放式Z轴角速度芯片1厚度方向变形。由于导流孔18的横截面积大于腔口17的横截面积但小于合流口29的横截面积(合流口29实际上是由上合流孔16和下合流孔22粘接以后形成)，这种特殊的结构在气流网络中产生了一定的流阻，在进口24a、24b到出口25之间产生了净流量，在压电陶瓷振子扩张和收缩之间实现气流的定向流动。压电陶瓷振子11驱动气体，由两个进口24a、24b进入入口室27a、27b，在与腔口17相对的合流口29汇集并由导流孔18的末端喷口19喷出，进而流向出口敏感室28末端的出口25。

气流中心平面和热线23a和23b所在平面相距几百微米。热线23a和23b、由高温度系数的金属钨、SiO₂和Si构成。

下硅板9的边缘被覆电极，上硅板8和上盖板7开相应的孔以便露出下硅板9的电极便于与PCB电路板2实现电气连接。PCB电路板2中有信号处理电路，主要是电源、压电泵驱动电路30和一个惠斯登电桥31通过金丝与开放式Z轴角速度芯片1实现电源和惠斯登电桥的31引入，以及角速度电压的输出(如图4所示)。

图5是惠斯登电桥示意图。如该图所示，上硅板8上表面的一对平行的热线23a和23b、分别作为PCB电路板2中信号处理电路中的惠斯登电桥的两个臂，在出口敏感室28通过与随角速度变化的气流32(气流32如图3所示)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V_Z。

本实施例的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其优点是：

(1)这种角速度传感器一方面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角速度传感器，充分利用PET和硅片的整体厚度制作气流网络，得到相当于硅片横截面2～3倍的气流网络，在相同角速度输入时它受到的惯性较大，气流束偏转量较大，角速度传感器的Z轴灵敏度较高。

(2)实现了压电泵振子的变形方向沿着硅圆片的纵向，压电泵振子可以安装在与硅片表 面平行的方向，因此压电泵振子因此振子尺度可以做得很大，大幅度提高了泵的驱动能力，气流速度大，角速度传感器Z轴灵敏度高。

(3)开放式的气流网络结构简单，层状敏感元件结构，工艺简单，所以气流角速度传感器的成本低。

实施例2：

本实施例提供开放式Z轴角速度芯片1的制作方法，采用成熟的PET高精度激光切割成型加工工艺和硅片的微机械加工工艺，制作工艺简单，其制作工艺如下：

1.上盖板7和底板10的制作：在厚度为1.5mm的PET板上通过高精度激光切割成型机输入设计好的相应图形加工而成，上盖板7台阶13表面溅射一层金属电极。

2.下硅板9的制作：

1)在绝缘硅片外延设备层并热氧化形成SiO₂，通过溅射金属钨形成敏感金属层，溅射铝形成电极层。

2)用光刻和湿法蚀刻等方法形成铝电极和焊盘。

3)通过光刻和于法刻蚀在设备层上形成热线。

4)为保护热线的细长结构不受机械损伤，在热线的正面用光刻胶和聚酰亚胺加以覆盖，用反应离子蚀刻背面，氧化层、光刻胶或聚酰亚胺保护层通过干法刻蚀去除。

3.上硅板8的制作：硅片通过光刻、干法深刻蚀硅片的整个厚度而形成。

4.组合工艺：

1)用环氧基树脂进行粘合，先用特制的夹具把上下硅板8、9粘合在一起保证热线在他们的中间位置，粘合过程是在60℃热处理30min完成。

2)用导电胶将压电陶瓷振子11粘接在上盖板7的台阶13上，压电陶瓷振子11的外侧和台阶13电极焊接导线，以便和PCB电路板2中的压电泵驱动电路30连接。

3)将粘接好的上下硅板8、9和上盖板7、底板10用特制的夹具粘接形成开放式Z轴角速度芯片1。

本实施例的优点是：

(1)本实施例开放式Z轴角速度芯片的制作均采用成熟的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)高精度激光切割成型机加工工艺和硅片的微机械加工工艺，制作工艺简单。

(2)热线和气流网络独自制作并且按要求加以组合，由于热线所在平面和射流中心轴线的平行，所以制造工艺上与标准的体硅MEMS工艺是兼容的。

(3)采用的光刻技术能保证开放式Z轴角速度芯片1结构的正交性和垂直度(主要指热线方向和气流方向)，交叉耦合小。

实施例3：

如图4所示，在Z轴方向有个角速度输入Ω_z时，由于哥氏力(Coriolis force)原理，从喷口19喷出的气流将会发生偏转，从而在出口敏感室28内的两相对平行的热线23a和23b上引起相反的冷却作用。热线23a和23b分别连接成惠斯登电桥的两个等臂，如图4、图5所示，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V_Z输出。

当有沿着z轴角速度作用传感器时，气流束的偏移量δ_z

${\mathrm{\δ}}_z={\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_z\×\frac{L_z^2}{V_z}---\left(1\right)$

式中，L_z和V_z分别表示喷口19到热线23a和23b的距离、气流在L_z段的平均速度。

灵敏度关系式：

通分析热线和层状射流之间的热传递现象，可以得到气流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：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{-{\mathrm{\λ\πl\αI}}^2{R}_{\mathrm{TH}0}}{{(\mathrm{\λ\πlNu}-I^2{R}_{\mathrm{TH}0}\mathrm{\α})}^2}\·\frac{\mathrm{Nu}}{V}\mathrm{n\ΔV}---\left(2\right)$

式中，l是热敏电阻的长度，λ为气体的导热系数，α为热线的电阻温度系数，I为热线通电电流，R_TH0为未加角速度时热线的初始电阻值，Nu为努塞尔数(Nusselt Number)，V为气流从喷口(或进口)流向热线的初始流速，n为经验常数，0.2到0.33之间，ΔV为热线上气流速度增量。

气流速度增量ΔV和角速度ω_i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，热线上气流速度增量ΔV和角速度ω_i引起的偏移量δ_{ω i}是成比例的，因此它也和实际角速度ω_i成比例，得到：

$\mathrm{\ΔV}=K_i{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ωi}}=K_i\frac{{\mathrm{\ω}}_i{L}_i^2}{V_i}---\left(3\right)$

式中，K_i为一常数，由热线R_i的流速分布的梯度决定；Li为从喷口(或进口)到热线的距离，Vi为气流从喷口(或进口)到热线段的平均流速)。

设热线电流为I，把(3)代入式(2)可得传感器的输出电压为

$\mathrm{\ΔU}=\frac{-{\mathrm{\λ\πl\αI}}^2{R}_{\mathrm{TH}0}}{{(\mathrm{\λ\πlNu}-I^2{R}_{\mathrm{TH}0}\mathrm{\α})}^2}\·\frac{\mathrm{Nu}}{V}\mathrm{n\ΔV}\·K_i\frac{{\mathrm{\ω}}_i{L}_i^2}{V_i}---\left(4\right)$

根据式(4)可以计算传感器的灵敏度，如图6给出本发明模拟敏感度曲线，从图中可以看出，灵敏度为SF_z＝2.0μV/°/s。

本实施例的优点是：出口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2倍，实用性强。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述缓冲硅胶片、开放式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，所述开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，其中：

上盖板设有第一孔，该第一孔上设有压电陶瓷振子；

上硅板在与上盖板对应的位置设有同样尺寸的第二孔，并设有分别作为上入口通道和上出口通道的两个长孔，上入口通道的长度方向与上出口通道的长度方向垂直；上入口通道在靠近第二孔的一侧与第二孔相通，形成上合流孔；上入口通道与上出口通道相通，形成导流孔；

下硅板设有与上入口通道和上出口通道同样尺寸的两个长孔，分别为下入口通道和下出口通道，下入口通道不与下出口通道相通，下出口通道在与上合流孔相对应的位置形成下合流孔；在下出口通道的下硅板表而设有敏感z方向角速度的一对平行热线；

底板开有两个进口和一个出口，两个进口与下入口通道的两端对应，出口与下出口通道的末端对应；

上盖板、上硅板、下硅板和底板合围形成气流网络，包括压电陶瓷振子下面的泵腔，以及由上入口通道、上出口通道、下入口通道、下出口通道合围而成的入口室和出口敏感室，泵腔在与入口室的相接处形成腔口，入口室的上合流孔、下合流孔形成合流口，上硅板的导流孔的横截面积大于该腔口的横截面积但小于该合流口的横截面积；

PCB电路板设有电源、压电泵驱动电路和一个惠斯登电桥，压电泵驱动电路向上盖板上的压电陶瓷振子提供激励电压，下硅板上的一对平行热线分别作为惠斯登电桥的两个臂。

2.如权利要求1所述的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于：所述上盖板和所述底板的材料为PET。

3.如权利要求1所述的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于：所述第一孔和第二孔为圆孔，所述压电陶瓷振子为圆形。

4.如权利要求1所述的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于：上入口通道的长度为上出口通道的长度的2倍，上出口通道的宽度为上入口通道宽度的3倍；上出口通道的宽度为上硅板宽度的1/4。

5.如权利要求1所述的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于：敏感z方向角速度的一对平行热线分别设置在距离下出口通道始端1/3出口通道长度处的上硅板的表面，并与下出口通道的轴线平行，热线长度为下出口通道的3/5。

6.如权利要求1所述的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于：上盖板、上硅板、下硅板和底板之间粘接。

7.如权利要求1所述的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于：所述热线由高温度系数的金属铂、SiO₂和Si构成。