CN106840134B - 一种阵列电极式mems液体角度陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，包括通过真空键合工艺进行封装的下基板、中间基板和上基板，下基板中心有环形的第一疏水层，第一疏水层外环有环形金属电极；下基板上部的中间基板包括内圆盘和外圆盘，外圆盘的内壁和内圆盘的外壁有第二疏水层，内圆盘和外圆盘同心，内圆盘和外圆盘之间构成一个环形沟槽，环形沟槽设有水银液滴；中间基板上部的上基板中心有对应与下基板的第一疏水层位置的环形阵列电极，通过液滴在不同倾角下的位置变化而造成的阵列电极信号输出的变化，实现对角度变化的测量，具有体积小，结构简单，功耗小，不受外界环境温度和冲击影响等特点，在惯性导航，姿态测试等航空航天，兵器系统等领域具有潜在的应用前景和价值。

Description

一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪
技术领域
本发明属于陀螺仪传感器技术领域，具体涉及一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪。
背景技术
目前，陀螺仪传感器普遍采用科里奥利力的原理，能够较为直观的表现出被测物体的角速度以及加速度，然而在测量角度变化的过程中需要将角速度数据通过积分处理得到角度数据，因此就需要在外加电路中添加积分电路，这提高了传感器电路设计及制造的难度，导致成本过高。采用振动机械结构作为敏感元件的陀螺仪传感器，存在的最大缺点就是机构较为复杂，且在高冲击，高过载下对振子的振动频率影响较大，影响传感器的输出，不适用于较大冲击环境。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，通过液滴在不同倾角下的位置变化而造成的阵列电极信号输出的变化，实现对角度变化的测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，包括通过真空键合工艺进行封装的下基板3、中间基板2和上基板1，下基板3中心有环形的第一疏水层6-1，第一疏水层6-1外环有环形金属电极7；下基板3上部的中间基板2包括内圆盘和外圆盘，外圆盘的内壁和内圆盘的外壁有第二疏水层6-2，内圆盘和外圆盘同心，内圆盘和外圆盘之间构成一个环形沟槽，环形沟槽设有水银液滴4；中间基板2上部的上基板1中心有对应与下基板3的第一疏水层6-1位置的环形阵列电极5。
所述的上基板1采用单晶硅材料，环形阵列电极5采用金材料。
所述的中间基板2采用玻璃材料。
所述的下基板3采用单晶硅材料，预先对下基板3进行疏水处理，采用磁控溅射的工艺在已覆盖第一疏水层6-1的下基板3上表面沉积一层环形金属电极7，并保留中间环形的第一疏水层6，环形金属电极7材料与环形阵列电极5材料一致；封装过程中，控制下基板3的第一疏水层6与上基板1的环形阵列电极5保持同轴且位置一致。
所述的水银液滴4的直径与中间基板2的环形沟槽宽度相同。
所述的水银液滴4直径小于中间基板2的厚度，水银液滴4不与上基板1的环形阵列电极5相接触。
本发明的有益效果为：
采用三层基板结构，敏感元件水银液滴4在中间基板2的沟槽内流动，水银液滴4流动过程中位置的改变，导致环形金属电极7、环形阵列电极5间某位置处输出电容信号改变，该位置所对应的角度，与初始位置角度相比较就是输入角度的值，水银液滴4在受到大冲击时，会迅速由分散重新聚拢，这使得该角度传感器在较大冲击下也能够可靠测量；该角度传感器通过真空键合工艺进行封装，具有体积小，结构简单，功耗小，不受外界环境温度和冲击影响等特点，在惯性导航，姿态测试等航空航天，兵器系统等领域具有潜在的应用前景和价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为上基板1的下表面示意图。
图3为下基板3的上表面示意图。
图4为水银液滴4在环形沟槽内静止示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的详细介绍。
参照图1、图2、图3和图4，一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，包括通过真空键合工艺进行封装的下基板3、中间基板2和上基板1，下基板3中心有环形的第一疏水层6-1，第一疏水层6-1外环有环形金属电极7；下基板3上部的中间基板2包括内圆盘和外圆盘，外圆盘的内壁和内圆盘的外壁有第二疏水层6-2，内圆盘和外圆盘同心，内圆盘和外圆盘之间构成一个环形沟槽，环形沟槽设有水银液滴4；中间基板2上部的上基板1中心有对应与下基板3的第一疏水层6-1位置的环形阵列电极5；利用水银液滴4作为敏感元件，水银液滴4在重力作用下绕环形沟槽做圆周运动，引起上基板内的环形阵列电极5某处输出电容发生变化，通过电容变化进而得到水银液滴4转动的角度。
所述的上基板1采用单晶硅材料，采用气相沉积的方式在单晶硅上表面覆盖一层100nm～300nm厚的二氧化硅薄膜；环形阵列电极5采用金材料，利用光刻工艺，在单晶硅下表面覆盖一层环形阵列光刻胶图案，通过磁控溅射工艺，在预先光刻好的单晶硅下表面沉积一层金，放入显影液中浸泡，沉积在光刻胶上的金电极，被显影液洗掉，直接覆盖在单晶硅下表面上的金电极被保留下来，从而得到了环形阵列电极5。
所述的中间基板2采用玻璃材料，采用OTS-SiO2复合薄膜处理玻璃材料，使环形沟槽内壁覆盖第二疏水层6-2，预先用丙酮和无水乙醇清洗玻璃材料，将预处理的玻璃材料侵入混合溶液A和B中；A溶液为正硅酸乙酯，氨水以及无水乙醇按摩尔比为1:2:20混合而成；B溶液为正硅酸乙酯，水，无水乙醇以及盐酸按摩尔比为1:3:20:0.01混合而成；采用提拉法进行二氧化硅薄膜的制备，提升速度为12cm/min，将已沉积有SiO2薄膜的玻璃材料侵入浓度为10mmol/L的十八烷基三氯硅烷(OTS)/甲苯混合溶液中，控制反应时间为3min～2h，反应结束后依次用甲苯，丙酮，乙醇，去离子水进行清洗。中间基板2为敏感元件水银液滴4提供了运动的环形沟槽。
所述的下基板3采用单晶硅材料，预先对下基板3进行疏水处理，采用磁控溅射的工艺在已覆盖第一疏水层6-1的下基板3上表面沉积一层环形金属电极7，并保留中间环形的第一疏水层6-1，环形金属电极7材料与环形阵列电极5材料一致；封装过程中，控制下基板3的第一疏水层6-1与上基板1的环形阵列电极5保持同轴且位置一致。
本发明的工作原理是：
采用水银液滴4作为敏感元件，水银液滴4在受到较大冲击时，能够迅速的由分散状态重新聚拢，性质不会发生改变，因此不会对测量产生影响，克服了传统角度陀螺仪在高过载，大冲击下的测量问题。水银液滴4通过真空封装在中间基板2环形沟槽内，仅受重力的作用停在传感器的零位。存在一个临界滚动角α使水银液滴4仅在重力的作用下开始滚动。斜面上临界滚动角的计算公式如下：
其中，d为水银液滴4的直径，θα为前进角，θγ为后退角，μ为水银液滴4表面张力，m为水银液滴4的质量。
常温下水银的表面张力为0.485N/m，有较小的滚动角。封装过程中，水银液滴4在环形沟槽内部静止如图4所示，水银液滴4受重力的影响静止在下基板3最低点处；水银液滴4的直径与中间基板2的环形沟槽宽度相同，环形沟槽侧壁有第二疏水层6-2，减小水银液滴4与侧壁的接触角，从而减小侧壁与水银液滴4之间的表面张力对于滚动角的影响。水银液滴4直径小于中间基板2的厚度，水银液滴4不与上基板1的环形阵列电极5相接触。
水银液滴4在重力的作用下绕倾斜角的方向在环形沟槽内做圆周运动，环形沟槽的上下表面存在环形阵列电极5和环形金属电极7，当水银液滴4运动静止在环形沟槽最低点时，会使得该点处极板输出电容改变。根据该点处输出电容的变化可以判断出水银液滴4运动停止的位置，进而获得倾斜角的数值。由于水银液滴4在大冲击下具有恢复初始性质的能力，因此该倾角传感器能够用于大冲击，高过载的倾角测量。在水银液滴4滚动环形沟槽的内壁覆盖疏水层，减小水银液滴4的滚动角，从而提高传感器的分辨率。

Claims (6)

1.一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：包括通过真空键合工艺进行封装的下基板(3)、中间基板(2)和上基板(1)，下基板(3)中心有环形的第一疏水层(6-1)，第一疏水层(6-1)外环有环形金属电极(7)；下基板(3)上部的中间基板(2)包括内圆盘和外圆盘，外圆盘的内壁和内圆盘的外壁有第二疏水层(6-2)，内圆盘和外圆盘同心，内圆盘和外圆盘之间构成一个环形沟槽，环形沟槽设有水银液滴(4)；中间基板(2)上部的上基板(1)中心有对应与下基板(3)的第一疏水层(6-1)位置的环形阵列电极(5)；
封装过程中，控制下基板(3)的第一疏水层(6-1)与上基板(1)的环形阵列电极(5)保持同轴且位置一致；
环形沟槽的宽度应当与第一疏水层(6-1)的宽度相同，且两者同轴并保持位置一致。
2.根据权利要求1所述的一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的上基板(1)采用单晶硅材料，环形阵列电极(5)采用金材料。
3.根据权利要求1所述的一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的中间基板(2)采用玻璃材料。
4.根据权利要求1所述的一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的下基板(3)采用单晶硅材料，预先对下基板(3)进行疏水处理，采用磁控溅射的工艺在已覆盖第一疏水层(6-1)的下基板(3)上表面沉积一层环形金属电极(7)，并保留中间环形的第一疏水层(6-1)，环形金属电极(7)材料与环形阵列电极(5)材料一致。
5.根据权利要求1所述的一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的水银液滴(4)的直径与中间基板(2)的环形沟槽宽度相同。
6.根据权利要求1所述的一种阵列电极式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的水银液滴(4)直径小于中间基板(2)的厚度，水银液滴(4)不与上基板(1)的环形阵列电极(5)相接触。
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