CN109883408B - 一种基于互电容原理的mems液体陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，包括上基板、中间基板以及下基板，中间基板与上基板通过UV胶黏剂进行封装，中间基板通过MEMS工艺与下基板封装；下基板的上表面中部设有环形电容，环形电容的外圈设有阵列柱状疏水结构，阵列柱状疏水结构的外圈设有环形阵列电容，环形阵列电容和环形电容与金属引线板相连；中间基板上设有贯通的环形沟槽通道，环形沟槽通道位于阵列柱状疏水结构上方，环形沟槽通道内设有水银液滴；通过水银液滴在环形沟槽通道内滚动，使环形阵列电容上的电容和环形电容之间的互电容发生改变，从而输出角度等信号，本发明提高了信号的准确性，结合MEMS工艺，使得传感器具有体积小、质量轻、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于陀螺仪传感器技术领域，具体涉及一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪。
背景技术
陀螺仪传感器能够有效地测量加速度、角度等物理量，因此在航空航天，惯性导航以及手机等电子器械中应用十分广泛。传统的陀螺仪传感器多采用振动机械结构作为敏感元件，这类型的传感器在工作过程中，固体梁等机械结构之间会发生相互运动，造成结构内部的磨损，极大的减少了传感器的使用寿命以及测量精度；同时，传统陀螺仪传感器多采用机加工来实现转子，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，并且无法实现大规模批量化的生产。结构较大的机械式陀螺仪传感器也无法满足目前日益发展的微机电系统领域，诸如手机内部的导航等都需要体积小，质量轻的新型传感器。
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基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，极大的提高了信号的准确性，结合MEMS工艺，使得陀螺仪具有体积小、质量轻、成本低等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，包括上基板1、中间基板2以及下基板3，中间基板2与上基板1通过UV胶黏剂进行封装，中间基板2通过MEMS工艺与下基板3封装；下基板3的上表面中部设有环形电容6，环形电容6的外圈设有阵列柱状疏水结构7-2，阵列柱状疏水结构7-2的外圈设有环形阵列电容5，环形阵列电容5和环形电容6与金属引线板8连接；中间基板2上设有贯通的环形沟槽通道4，环形沟槽通道4位于阵列柱状疏水结构7-2上方，环形沟槽通道4的沟槽内壁有经过处理的疏水层7-1，环形沟槽通道4内设有水银液滴9。
所述的中间基板2的平面尺寸小于下基板3的平面尺寸，且处于下基板3的中间位置，中间基板2将下基板3的四周暴露出来，金属引线板8排列于暴露的区域；上基板1的平面尺寸与中间基板2的平面尺寸相同，且封装时上基板1与中间基板2四周对齐。
所述的上基板1采用玻璃材料。
所述的中间基板2采用SU-8光刻胶材料，采用MEMS光刻工艺及等离子体去胶工艺制作贯通的环形沟槽通道4以及疏水层7-1。
所述的下基板3采用单晶硅材料，采用MEMS工艺制作环形阵列电容5以及环形电容6，环形电容5以及环形电容6采用合金材料；金属引线板8采用金材料。
所述的水银液滴9的直径略小于中间基板2上的贯通的环形沟槽通道4的宽度和高度。
本发明的有益效果为：
1、采用三层结构，当外界输入角度加速度等信号，水银液滴9会在环形沟槽通道4内滚动，位置改变，当水银液滴9运动到靠近环形阵列电容5其中的任意一个电容a时，环形阵列电容5上的电容a和环形电容6之间的互电容发生改变，从而输出角度，加速度等信号，采用水银液滴9作为敏感元件能够避免传统机械式陀螺仪内部的固体结构连接处的较大摩擦，极大提升了传感器的使用寿命及精度；
2、水银液滴9在较大冲击下能够迅速从分散状态重新聚拢，这使得该陀螺仪能够在较大冲击的测试中应用，提高了传感器的抗冲击能力；
3、水银液滴9与环形阵列电容5上的电容a距离不同时会输出不同的互电容值，这种变化是线性的，因此通过水银液滴9的位置获得连续的输出信号；
4、采用电容值作为最终的输入物理量，使得水银液滴9不必与环形阵列电容5以及环形电容6接触，有效避免了当采集值为电阻时，水银液滴9与电极之间的欧姆接触不良问题，极大的提高了信号的准确性；
5、本发明MEMS液体陀螺仪结合MEMS工艺，使得其具有体积小，质量轻，成本低等优点，在手机导航，惯性导航，姿态测试导弹发射等具有广阔前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为中间基板2的结构示意图。
图3为下基板3的上表面示意图。
图4为水银液滴9在环形沟槽通道4内静止示意图。
图5为实施例水银液滴9靠近距环形阵列电容5上任意电容a时互电容C1a变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细介绍。
参照图1，图2，图3和图4，一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，包括上基板1、中间基板2以及下基板3，中间基板2与上基板1通过UV胶黏剂进行封装，中间基板2通过MEMS工艺与下基板3封装；下基板3的上表面中部设有环形电容6，环形电容6的外圈设有阵列柱状疏水结构7-2，阵列柱状疏水结构7-2的外圈设有环形阵列电容5，环形阵列电容5和环形电容6与金属引线板8相连；中间基板2上设有贯通的环形沟槽通道4，环形沟槽通道4位于阵列柱状疏水结构7-2上方，环形沟槽通道4的沟槽内壁有经过处理的疏水层7-1，环形沟槽通道4内设有水银液滴9；当外界输入角度加速度等信号，水银液滴9会在环形沟槽通道4内滚动，位置改变；当水银液滴9运动到靠近环形阵列电容5其中的任意一个电容a时，环形阵列电容5上的电容a和环形电容6之间的互电容发生改变，从而输出角度加速度等信号。
所述的中间基板2的平面尺寸小于下基板3的平面尺寸，且处于下基板3的中间位置，中间基板2将下基板3的四周暴露出来，金属引线板8排列于暴露的区域；上基板1的平面尺寸与中间基板2的平面尺寸相同，且封装时上基板1与中间基板2四周对齐。
所述的上基板1采用玻璃材料。
所述的中间基板2采用SU-8(2150)光刻胶材料，中间基板2的厚度为2mm，平面尺寸小于下基板3，采用MEMS工艺中的光刻技术，首先将1mm的SU-8光刻胶覆盖在下基板3的上表面，在热板上前烘30h，前烘温度为95℃，冷却至室温后将1mm的SU-8光刻胶再次覆盖在样品表面，重复前烘工艺，采用光刻机对中间基板2的SU-8光刻胶进行曝光，曝光工艺完成后，对样品进行后烘处理，后烘时间为30～40min，温度为95℃，最后用SU-8显影液对中间基板2进行显影，得到中间基板2上宽度为2mm的环形沟槽通道4，采用等离子去胶机对中间基板2上环形沟槽通道4进行处理，得到了疏水层7-1，去胶功率选用100～200W，去胶时间选择1min～2min。
所述的下基板3采用单晶硅片，利用PECV的工艺在单晶硅片表面沉积一层厚度为200nm的二氧化硅薄膜；环形阵列电容5和环形电容6采用合金材料，金属引线板8采用金材料，本实施例采用的环形阵列电容5为18个，利用光刻工艺在已经沉积二氧化硅薄膜的单晶硅表面制备一层环形阵列电容5和环形电容6以及金属引线板8的光刻胶图案，通过磁控溅射工艺在样品表面沉积一层金属薄膜，放入丙酮溶液中浸泡，沉积在光刻胶上的金属被丙酮溶液洗掉，直接覆盖在二氧化硅薄膜表面上的金属被保留下来，得到了环形阵列电容5和环形电容6以及金属引线板8。
所述的阵列柱状疏水结构7-2的制备工艺为：在环形阵列电容5以及环形电容6的中间位置，采用光刻工艺，在已经沉积了环形阵列电容5和环形电容6以及金属引线板8的样品表面覆盖一层阵列方形图案的光刻胶，方形的边长为30um，任意相邻方形的间距为40um，通过等离子体刻蚀工艺，将没有覆盖光刻胶的地方刻蚀掉，得到了阵列柱状疏水结构7-2。
所述的水银液滴9的直径略小于中间基板2上的贯通的环形沟槽通道4的宽度和高度。
本发明的工作原理是：
采用水银液滴9作为敏感元件，水银液滴9受重力的作用可以静止在任意初始位置，此时18个环形阵列电容5以及环形电容6的麦克斯韦电容矩阵为C1；
当有外界角度加速度等信号输入时，水银液滴9会在中间基板2上的环形沟槽通道4内运动，待水银液滴9静止，靠近环形阵列电容5其中的任意一个电容a时，环形阵列电容5和环形电容6麦克斯韦电容矩阵会改变为C2
此时环形阵列电容5中的任意电容a与环形电容6之间的互电容C1a发生改变，水银液滴9距电容a的距离和互电容C1a的关系为正弦波图形，如图5所示，因此通过测量互电容C1a的大小，可以确定水银液滴9的具体位置，从而输出角度以及加速度等信号；由于这种电容的变化量为线性的，因此可以实现连续测量，同时采用电容值作为最终的输入物理量，使得水银液滴9不必与环形阵列电容5以及环形电容6接触，有效避免了当采集值为电阻时，水银液滴9与电极之间的欧姆接触不良问题；
常温下水银的表面张力为0.485N/m，有较小的滚动角。环形沟槽通道4内壁有疏水层7-1，减小水银液滴9与环形沟槽通道4侧壁的接触角，下基板3上有阵列疏水结构7-2，减小了水银液滴9与下基板3上表面的接触角，从而减小结构与水银液滴9之间的表面张力对于滚动的影响，从而提高传感器的分辨率。
Claims (4)
1.一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，包括上基板(1)、中间基板(2)以及下基板(3)，其特征在于：中间基板(2)与上基板(1)通过UV胶黏剂进行封装，中间基板(2)通过MEMS工艺与下基板(3)封装；下基板(3)的上表面中部设有环形电容(6)，环形电容(6)的外圈设有阵列柱状疏水结构(7-2)，阵列柱状疏水结构(7-2)的外圈设有环形阵列电容(5)，环形阵列电容(5)和环形电容(6)与有金属引线板(8)相连；中间基板(2)上设有贯通的环形沟槽通道(4)，环形沟槽通道(4)位于阵列柱状疏水结构(7-2)上方，环形沟槽通道(4)的沟槽内壁有经过处理的疏水层(7-1)，环形沟槽通道(4)内设有水银液滴(9)；
所述的中间基板(2)的平面尺寸小于下基板(3)的平面尺寸，且处于下基板(3)的中间位置，中间基板(2)将下基板(3)的四周暴露出来，金属引线板(8)排列于暴露的区域；上基板(1)的平面尺寸与中间基板(2)的平面尺寸相同，且封装时上基板(1)与中间基板(2)四周对齐；
所述的中间基板(2)采用SU-8光刻胶材料，采用MEMS光刻工艺及等离子体去胶工艺制作贯通的环形沟槽通道(4)以及疏水层(7-1)；
阵列柱状疏水结构(7-2)为边长30um的方形结构，任意相邻方形结构的间距为40um；阵列柱状疏水结构(7-2)为硅材料，且在顶层平面上沉积有一层二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，其特征在于：所述的上基板(1)采用玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，其特征在于：所述的下基板(3)采用单晶硅材料，采用MEMS工艺制作环形阵列电容(5)以及环形电容(6)，环形阵列 电容(5)以及环形电容(6)采用合金材料；金属引线板(8)采用金材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于互电容原理的MEMS液体陀螺仪，其特征在于：所述的水银液滴(9)的直径略小于中间基板(2)上的贯通的环形沟槽通道(4)的宽度和高度。
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