CN107289919A - 一种环形电阻式mems液体角度陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，包括通过UV胶黏剂封装的上基板和下基板，上基板的下表面有环形的沟槽通道，沟槽通道的侧壁设有疏水层；下基板的上表面包括两条平行的环形电阻，环形电阻末端连接有金属引线板；环形沟槽内设有水银液滴；封装过程中，控制环形电阻处于上基板沟槽通道的内部且处于沟槽通道的中间位置，本发明通过水银液滴在不同倾角下的位置变化，来导通不同长度的环形电阻得到变化的电阻信号，实现对角度的连续测量。

Description

一种环形电阻式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，具体涉及一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪。
背景技术
目前，陀螺仪传感器在惯性导航中的应用十分广泛，它的发展对一个国家的工业，国防军以及科技起到十分重要的战略意义。陀螺仪传感器利用科里奥利力的原理来得到待测物体的加速度，角速度等物理量。当待测物理量为角度时就需要加入配套电路来对采集到的角速度进行积分，从而增加了传感器制造的难度，导致成本过高。传统的陀螺仪传感器是指机械式的陀螺仪。多采用机械加工来实现转子，内、外框架，以及附件等的制造。这种加工手段往往难以得到结构复杂，精度较高的传感器。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复杂，振子的振动频率受环境的过载和冲击影响过大，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，本发明目的在于提供一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，通过水银液滴在不同倾角下的位置变化，来导通不同长度的环形电阻得到变化的电阻信号，实现对角度的测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，包括通过UV胶黏剂封装的上基板1和下基板3，上基板1的下表面有环形的沟槽通道2，沟槽通道2的内壁设有疏水层7；下基板3的上表面包括两条平行的环形电阻4，环形电阻4末端连接有金属引线板6；环形沟槽2内设有水银液滴5；
封装过程中，控制环形电阻4处于上基板1沟槽通道2的内部且处于沟槽通道2的中间位置。
所述的上基板1采用单晶硅材料，采用MEMS工艺制作沟槽通道2和疏水层7。
所述的下基板3采用玻璃材料，采用MEMS工艺制作环形电阻4和金属引线板6，环形电阻4采用合金材料；金属引线板6设置在环形电阻4的末端，采用金材料。
所述的上基板1略小于下基板3，封装过程中控制下基板3上的金属引线板6不被上基板1覆盖。
所述的水银液滴5的直径与沟槽通道2的宽度相同。
本发明的有益效果为：
采用双层板结构，敏感元件水银液滴5在上基板1上的沟槽通道2流动导通两条平行的环形电阻4，当有角度变化时，水银液滴5的位置发生改变，导通的环形电阻4的长度发生改变，导致金属引线板6处测量的输出电阻的阻值信号发生改变，从而得到该位置所对应的角度；水银液滴5在受到较大冲击后会迅速的从分散状态聚拢，使得该传感器敏感元件较传统陀螺仪传感器在抗冲击的能力得到了极大的提升；环形电阻阻值变化成线性，输出连续变化的角度，实现姿态角的连续测量；工艺结合MEMS，使传感器具有结构简单，体积下，功耗小等一些系列特点，在惯性导航，航天器姿态，导弹发射等有广阔前景。
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5在环形沟槽2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4，一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，包括通过UV胶黏剂封装的上基板1和下基板3，上基板1的下表面有环形的沟槽通道2，沟槽通道2的内壁设有疏水层7；下基板3的上表面包括两条平行的环形电阻4，环形电阻4末端连接有金属引线板6；环形沟槽2内设有水银液滴5，利用水银液滴5作为敏感元件，水银液滴5静止在初始位置，导通两条环形电阻4，当角度发生变化时，水银液滴5在重力作用下绕沟槽通道2做圆周运动，水银液滴5重新静止时得到了待测角度的位置，导通的平行电阻4长度发生改变，引起电阻阻值的改变，通过电阻阻值的变化进而得到水银液滴5滚动的角度。
所述的上基板1采用单晶硅材料，采用磁控溅射的工艺在单晶硅表面预溅射一层150nm厚的Al膜作为制作沟槽通道2时的掩蔽，在预先溅射好Al膜的硅表面做光刻工艺，制备出环形的图案；将光刻好的硅片放入酸中洗掉环形图案处的Al膜，暴露出单晶硅；ICP刻蚀单晶硅片制备出300um深的沟槽通道2；分别用丙酮和酸将单晶硅表面残留的光刻胶以及Al膜清洗干净；利用气相沉积的工艺在刻蚀后的单晶硅片表面沉积一层SiO2，保证上基板1的沟槽通道2内部绝缘；将已沉积有SiO2薄膜的单晶硅片侵入浓度为10mmol/L的十八烷基三氯硅烷(OTS)/甲苯混合溶液中制备环形的疏水层7，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。上基板1为敏感元件水银液滴5提供了运动的环形沟槽2。
下基板3采用玻璃材料，预先对下基板3进行清洗，采用丙酮、无水乙醇分别对其进行超声清洗；对清洗后的玻璃进行光刻工艺，在玻璃表面覆盖一层具有两条平行圆环的光刻胶图案，通过磁控溅射工艺在预先光刻好的玻璃表面沉积一层电阻率较大的合金材料，放入丙酮溶液对其经行清洗，沉积在光刻胶上的合金金属连同光刻胶一起被清洗掉，保留两条平行的环形电阻4；再对沉积了环形电阻4的玻璃重复上述工艺，制备金属引线板6，不同的是光刻过程中光刻胶团为金属引线板6的图案；溅射过程中采用的材料为金材料。
封装过程中，采用UV胶黏剂对上基板1和下基板3进行封装，上基板1尺寸略小于下基板3，封装过程中，控制环形电阻4处于上基板1沟槽通道2的内部且处于沟槽通道2的中间位置；下基板3上的金属引线板6不被上基板1覆盖；水银液滴5的直径与沟槽通道2的宽度相同，并保证将水银液滴5封装在沟槽通道2内。
本发明的工作原理是：
该液体角度陀螺仪利用水银液滴5作为敏感元件；工作时预先将传感器绕待测方向的轴线转动一个初始角度α，如图4所示；水银液滴5受重力的影响静止在初始位置，导通两条平行的环形电阻4，当待测方向的角度发生变化时，水银液滴5在重力作用下绕环形沟槽通道2做圆周运动，当水银液滴5重新静止时，导通的平行电阻4长度发生改变，电阻的计算公式如下所示：
R＝ρl/s (1)
其中，R为环形电阻4的阻值，ρ为电阻率，l为电阻长度，s为电阻横截面积。
电阻的大小与导通电阻的长度正比，导通电阻长度的变化引起电阻阻值的改变，通过电阻阻值的变化进而得到水银液滴5滚动的角度。环形电阻阻值变化成线性，输出连续变化的角度，实现姿态角的连续测量；
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5在沟槽通道2内部静止如图4所示，水银液滴5受重力的影响静止在下基板3最低点处；水银液滴5的直径与沟槽通道2宽度相同，沟槽通道2内壁有疏水层7，减小水银液滴5与沟槽通道2侧壁的接触角，从而减小侧壁与水银液滴5之间的表面张力对于滚动的影响。在水银液滴5滚动沟槽通道2的内壁覆盖疏水层7，减小水银液滴5的滚动角，从而提高传感器的分辨率。

Claims (5)

1.一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：包括通过UV胶黏剂封装的上基板(1)和下基板(3)，上基板(1)的下表面有环形的沟槽通道(2)，沟槽通道(2)的内壁设有疏水层(7)；下基板(3)的上表面包括两条平行的环形电阻(4)，环形电阻(4)末端连接有金属引线板(6)；环形沟槽(2)内设有水银液滴(5)；
封装过程中，控制环形电阻(4)处于上基板(1)沟槽通道(2)的内部且处于沟槽通道(2)的中间位置。
2.根据权利要求1所述的一种环形电阻式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，采用MEMS工艺制作沟槽通道(2)和疏水层(7)。
3.根据权利要求1所述的一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的下基板(3)采用玻璃材料，采用MEMS工艺制作环形电阻(4)和金属引线板(6)，环形电阻(4)采用合金材料，金属引线板(6)设置在环形电阻(4)的末端，采用金材料。
4.根据权利要求1所述的一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的上基板(1)略小于下基板(3)，封装过程中控制下基板(3)上的金属引线板(6)不被上基板(1)覆盖。
5.根据权利要求1所述的一种环形电阻式MEMS液体角度陀螺仪，其特征在于：所述的水银液滴(5)的直径与沟槽通道(2)的宽度相同。
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