CN111595322A - 一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，包括敏感层和盖板，敏感层的上表面设置有呈“十”字型结构的四对加热器和六对热敏电阻，敏感层的下表面刻蚀有一“十”字型凹槽；一对加热器、一对热敏电阻和一个X/Y方向的热敏电阻构成一个测量单元；四对加热器的通电方式为周期式推挽式通电；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。本发明提出的基于热膨胀流的MEMS陀螺，形成“十”字型分布的推挽式的热流，这种推挽式热流流速大、气流状态稳定，陀螺灵敏度高，稳定性好，可实现空间三轴角速度的同时测量，具有很高的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及利用哥氏力偏转热流敏感体检测运动体角速度姿态参数的技术领域，尤其是涉及一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺。
背景技术
利用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技术制作的微型惯性传感器有大批量生产、成本低、体积小、功耗低等诸多优点，是未来中、低精度微型惯性传感器的理想产品。陀螺、加速度计是载体运动姿态测量和控制的核心惯性传感器，而陀螺是敏感角速度、角加速度等角参数的传感器。传统的微型陀螺(微机械陀螺)是基于高频振动质量被基座带动旋转时存在的哥氏效应原理，微电子和微机械结合的微型化速率陀螺。这种陀螺敏感元件内的固体质量块需要通过机械弹性体悬挂并振动，在稍高加速冲击下容易损坏，同时为了减少阻尼需要真空封装，其工艺复杂，长时间工作时会产生疲劳损坏和振动噪声。而微型流体惯性器件是一种新型的通过检测密闭腔体内流体的流场偏移量，实现输入加速度和角速度的测量。由于其没有传统的微型陀螺中的可动部件和悬挂系统，所以能抗高过载；由于其敏感质量为气体，质量几乎为零，所以响应时间短、寿命长；由于其结构简单，能满足低成本的应用要求。微型流体陀螺是利用密闭腔体内气流敏感体在哥氏力作用下发生偏转，由热敏电阻(热线)来敏感角速度引起偏转量的角速度传感器。目前，市场对微型惯陀螺适应恶劣苛刻的环境能力要求越来越高，与传统的微机械振动陀螺相比，微型流体陀螺以其极高的抗振动、冲击特性和低成本等优势，更具市场竞争力，应用前景十分广阔。
目前基于MEMS技术的微型流体陀螺大致可以分为四类大类:微型射流陀螺，ECF(electro-conjugate fluid)流体陀螺、微型热对流陀螺和微型热流陀螺。中国专利：一种微型四通道循环流式三轴硅射流陀螺(专利申请号：201510385582.4)，属于微型射流陀螺，其敏感元件内的压电片增加了加工难度和成本，且在保持流速的前提下其体积难以进一步缩小。ECF流体陀螺的体积较大(40mm×60mm×7mm)，且液体形成喷射流需高达上千伏的电压，故而ECF陀螺很难实现大批量、低成本的商业化。微型热对流陀螺无重力场就无法工作，灵敏度低。上述微型流体陀螺因其各自固有的缺点使其难以成为低成本商业化微型陀螺的选择。微型热流陀螺(也称热膨胀陀螺)是近几年提出的一种比较新的微型流体陀螺，敏感元件内无压电片，不需要高电压，可以在无重力环境下使用，它的灵敏度适中，介于微型射流陀螺和微型热对流式陀螺之间，同时它具有结构和加工工艺非常简单，成本极低，可靠性高，具有优秀的抗振动和冲击特性。
微型热流陀螺的敏感工作原理是利用加热器通电产生焦耳热，加热其周围的气体，形成气体热扩散，产生沿着一定方向运动的气流敏感体，当有角速度输入时，气流敏感体在哥氏力作用下发生偏转，造成惠斯登电桥的桥臂电阻(一般由热敏电阻组成)的改变，从而输出与输入角速度成正比的电桥不平衡电压。在中国专利201410140298.6和201210130318.2中传感器敏感元件内的主要部件-加热器和热敏电阻均采用悬空悬臂梁结构，由于加热器和热敏电阻均悬浮于腔体上方，刻蚀腔体释放结构后，应力会造成加热器和热敏电阻变形，甚至断裂，成品率低，而且翘曲变形会在无角速度输入情况下产生不对称的气体流场，从而造成角速度检测误差。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。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，包括敏感层和盖板，其中，
所述敏感层的上表面设置有呈“十”字型结构的四对加热器和六对热敏电阻，敏感层的下表面刻蚀有一“十”字型凹槽；
定义所述“十”字型凹槽的两臂方向分别为X，Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均为与X或Y方向平行或者垂直；四对所述加热器和六对所述热敏电阻形成一个“交叉”网络，沿X、Y两个垂直坐标轴对称设置；一对加热器、一对热敏电阻和一个X/Y方向的热敏电阻构成一个测量单元，共形成四个所述测量单元；
检测X轴角速度的热敏电阻为两个，沿“十”字型结构的X轴方向对称放置，且与Y轴方向垂直；检测Y轴角速度的热敏电阻为两个，沿“十”字型结构的Y轴方向对称放置，且与X轴方向垂直；检测Z轴角速度的热敏电阻为八个，放置于“十”字型结构每个测量单元X/Y方向上，且与加热器的方向垂直；
四对加热器中的两对放置在X轴方向上，且与X轴垂直；另外两对放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；
四对加热器的通电方式为周期式推挽式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；
所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。
作为一种进一步的技术方案，每对所述加热器均由两个相同频率的方波信号驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50％。
作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓。
作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的高度为整个敏感层高度的2/3至3/4。
作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为50μm至100μm。
作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为15μm至20μm。
作为一种进一步的技术方案，所述测量单元的宽度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
作为一种进一步的技术方案，所述加热器是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成。
作为一种进一步的技术方案，所述热敏电阻是由重掺杂的n型GaAs材料电阻线构成。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，采用有“十”字型加热器和热敏电阻的敏感层，并配合相应的信号检测处理电路，可实现空间三轴角速度的同时测量，继承了微型热流陀螺无固体敏感质量块，抗振动和冲击等优点，实现了基于热膨胀流的MEMS陀螺的多自由度测量。相比申请号201510385582.4的专利中所提出的微型射流陀螺，本发明所提出的陀螺的敏感元件中无悬臂梁结构，具有抗大冲击，结构简单，成本极低，可靠性高等优势。且本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，工艺简单，敏感元件成品率高，具有高集成度的潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的敏感层的三维结构示意图；
图2为本发明实施例提供的敏感层背面三维结构示意图；
图3为本发明实施例提供的盖板的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的敏感层的俯视图；
图5为图4的A-A向剖视图；
图6为本发明实施例提供的加热器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的热敏电阻的结构示意图；
图标：1-敏感层、2-加热器、3-加热器、4-加热器、5-加热器、6-加热器、7-加热器、8-加热器、9-加热器、10-热敏电阻、11-热敏电阻、12-热敏电阻、13-热敏电阻、14-热敏电阻、15-热敏电阻、16-热敏电阻、17-热敏电阻、18-盖板、19-热敏电阻、20-热敏电阻、21-热敏电阻、22-热敏电阻、23-“十”字型凹槽、25-TaN材料电阻块、26-TaN材料电阻块、27-重掺杂的n型GaAs材料电阻块、28-重掺杂的n型GaAs材料电阻块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1-5所示，本实施例提供本发明提供一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，包括敏感层1和盖板18，其中，
所述敏感层1的上表面设置有呈“十”字型结构的四对加热器和六对热敏电阻，敏感层的下表面刻蚀有一“十”字型凹槽23；通过设置“十”字型凹槽23使敏感层主体厚度很薄，为硅薄膜结构，有利于密封腔内工作热流的热扩散。
定义所述“十”字型凹槽的两臂方向分别为X，Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均为与X或Y方向平行或者垂直；四对所述加热器和六对所述热敏电阻形成一个“交叉”网络，沿X、Y两个垂直坐标轴对称设置；一对加热器、一对热敏电阻和一个X/Y方向的热敏电阻构成一个测量单元，共形成四个所述测量单元；
检测X轴角速度的热敏电阻为两个，即热敏电阻19和热敏电阻20，沿“十”字型结构的X轴方向对称放置，且与Y轴方向垂直；检测Y轴角速度的热敏电阻为两个，即热敏电阻21和热敏电阻22，沿“十”字型结构的Y轴方向对称放置，且与X轴方向垂直；检测Z轴角速度的热敏电阻为八个，即热敏电阻10、热敏电阻11、热敏电阻12、热敏电阻13、热敏电阻14、热敏电阻15、热敏电阻16以及热敏电阻17，放置于“十”字型结构每个测量单元X/Y方向上，且与加热器的方向垂直；
四对加热器中的两对(加热器6、加热器7、加热器8和加热器9)放置在X轴方向上，且与X轴垂直；另外两对(加热器2、加热器3、加热器4和加热器5)放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；
四对加热器的通电方式为周期式推挽式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；热敏电阻的通电方式均为恒流电；
所述盖板18上刻蚀有凹槽，且与敏感层1的上表面密闭连接。
工作时，四对电阻式的加热器用于加热气体介质并促进气体流沿X轴或Y轴的定向运动。四对加热器每对加热器由两个相同频率的方波驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50％。
具体来说：在密封腔内，四对加热器电阻通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成运动的热膨胀流；而作用加热器上的方波，交替加热和冷却每对加热器，这样在每对加热器间形成一种推挽式的热流。此时加热器形成十字型分布的推挽式热流，这种推挽式热流流速大、气流状态稳定，陀螺灵敏度高，稳定性好。
在“十”字型敏感层的上表面，检测X轴角速度的热敏电阻、检测Y轴角速度的热敏电阻和检测Z轴角速度的热敏电阻共12个热敏电阻用来检测外界角速度输入所带来的周围气体温度的变化。
具体的说，当外界有Z轴角速度输入时，由于哥氏力原理，运动的热膨胀流发生相应偏转，热流偏向的热敏电阻温度高于和它平行的热敏电阻，两相对平行的电阻产生了与输入的Z轴角速度成正比的温差；根据金属热电阻效应，两相对平行的热敏电阻将产生电阻阻值差，通过惠斯通电桥电路，将检测的阻值差转换成电压差，进而由温差和电压差可推算出外界Z轴角速度的大小。
当外界有X轴角速度输入时，由于哥氏力原理，运动的热膨胀流发生相应的偏转，X轴方向的两个加热器产生的热气流会沿着相反的方向到达对应测量单元的两相对平行的热敏电阻，形成相反的加热效应，两相对平行的电阻产生了与输入的X轴角速度成正比的温差；根据金属热电阻效应，两相对平行的热敏电阻将产生电阻阻值差，通过惠斯通电桥电路，将检测的阻值差转换成电压差，进而由温差和电压差可推算出外界X轴角速度的大小。
当外界有Y轴角速度输入时，由于哥氏力原理，运动的热膨胀流发生相应的偏转，Y轴方向的两个加热器产生的热气流会沿着相反的方向到达对应测量单元的两相对平行的热敏电阻，形成相反的加热效应，两相对平行的电阻产生了与输入的Y轴角速度成正比的温差；根据金属热电阻效应，两相对平行的热敏电阻将产生电阻阻值差，通过惠斯通电桥电路，将检测的阻值差转换成电压差，进而由温差和电压差可推算出外界Y轴角速度的大小。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，每对所述加热器均由两个相同频率的方波信号驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50％。电阻通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成热流，作用加热器上的方波，交替加热和冷却每对加热器，这样在每对加热器间形成一种推挽式的热流。四对加热器形成十字型分布的热流。这种推挽式热流流速大、气流状态稳定，陀螺灵敏度高，稳定性好。方波驱动加热器工作分为两个阶段，在第一个阶段，加热器2、加热器5、加热器6、加热器9通道加热，加热器3、加热器4、加热器7、加热器8不通电，处于环境温度，产生四个正交的热气流。在第二个阶段，加热器3、加热器4、加热器7、加热器8通电加热，加热器2、加热器5、加热器6、加热器9不通电，处于环境温度，在两个加热器间产生与第一阶段相反的四个正交呈十字型分布的热气流。以第一阶段为例说明三轴热流陀螺的工作原理。在Z轴方向有个角速度输入Ωz时，由于哥氏力(Coriolisforce)原理，加热器2和加热器3之间产生的热流将会在YOX面内发生偏转，热流偏向的热敏电阻温度高于和它平行的热敏电阻，因此两相对平行的热敏电阻10和热敏电阻11、热敏电阻12和热敏电阻13、热敏电阻14和热敏电阻15、热敏电阻16和热敏电阻17产生了与输入角速度Ωz成正比的温差。如果在X轴方向输入角速度Ωx，由于哥氏力的作用，加热器2、加热器3间的热气流和加热器4、加热器5间的热气流在ZOY面内沿着相反的方向到达两相对平行的热敏电阻19和热敏电阻20，在热敏电阻组成的平面上，也能形成相反加热效应，在两相对平行的热敏电阻19和热敏电阻20产生了与输入角速度Ωx成正比的温差。如果在Y轴方向输入敏感角速度Ωy，由于哥氏力原理，加热器6、加热器2间的热气流和加热器9、加热器8间的热气流在ZOY面内沿着相反的方向到达两相对平行的热敏电阻21和热敏电阻22，在热敏电阻组成的平面上，也能形成相反加热效应，在两相对平行的热敏电阻21和热敏电阻22产生了与输入角速度Ωy成正比的温差。三对热敏电阻19和热敏电阻20、热敏电阻21和热敏电阻22、热敏电阻10和热敏电阻11分别连接成惠斯登电桥的两个等臂，加热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三个与角速度Ωx、Ωy、Ωz成正比的电压Vx、Vy和Vz输出，从而敏感三个正交方向(X、Y、Z)上的角速度。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓以形成薄膜结构，增加密封腔体内气体介质的热扩散。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的高度为整个敏感层高度的2/3至3/4。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为50μm至100μm。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为15μm至20μm。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述测量单元的宽度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
结合图6-7所示，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述加热器是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成；所述热敏电阻是由重掺杂的n型GaAs材料电阻线构成。其中，加热器包括2个对称的TaN材料电阻块25、26。其中TaN材料电阻块由4个串联的“电阻”组成，而每个“电阻”具体实现形式为4根并联的TaN材料电阻线。通过这样设计TaN金属电阻线，加热器可以产生更多的热量，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。热敏电阻包括2个对称的重掺杂的n型GaAs材料电阻块27、28。其中重掺杂的n型GaAs材料电阻块27由4个串联的“电阻”组成，而每个“电阻”具体实现形式为4根并联的重掺杂的n型GaAs材料电阻线。通过这样设计GaAs热敏电阻，热敏电阻能获得更大的电压信号输出，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。
本发明所公开的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，可以利用GaAs-MMIC技术制备而成，具体工艺流程如下：
步骤一：在GaAs晶片上制备掺杂密度为1018cm-3的n+GaAs外延层，刻蚀形成上表面热敏电阻；
步骤二：溅射TaN(氮化钽)层作为上表面加热器；
步骤三：分别溅射Ti/Au/Ti，刻蚀形成
厚的焊盘和敏感电阻线；
步骤四：刻蚀盖板凹槽和敏感层下表面“十“字型凹槽，两个硅基材料均不刻透，从而完成凹槽和敏感层下表面的凹槽制备；
步骤五：通过键合工艺，将上盖板与敏感层进行粘合，实现气体介质工作环境的密封；
步骤六：对加工出来的结构进行封装，形成“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺。
综上所述，本发明所提出的陀螺的敏感元件中无悬臂梁结构，具有抗大冲击，结构简单，成本极低，可靠性高等优势；且通过设置“十”字型凹槽23使敏感层主体厚度很薄，为硅薄膜结构，有利于密封腔内工作热流的热扩散。本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，很容易将提取电路制作在一个芯片上具有高集成度的潜力。由于其敏感质量不含固体质量块，较其他工作原理的微型惯性传感器，具有抗大冲击，结构简单，成本极低，可靠性高的优势。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，包括敏感层和盖板，其中，
所述敏感层的上表面设置有呈“十”字型结构的四对加热器和六对热敏电阻，敏感层的下表面刻蚀有一“十”字型凹槽；
定义所述“十”字型凹槽的两臂方向分别为X，Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均为与X或Y方向平行或者垂直；四对所述加热器和六对所述热敏电阻形成一个“交叉”网络，沿X、Y两个垂直坐标轴对称设置；一对加热器、一对热敏电阻和一个X/Y方向的热敏电阻构成一个测量单元，共形成四个所述测量单元；
检测X轴角速度的热敏电阻为两个，沿“十”字型结构的X轴方向对称放置，且与Y轴方向垂直；检测Y轴角速度的热敏电阻为两个，沿“十”字型结构的Y轴方向对称放置，且与X轴方向垂直；检测Z轴角速度的热敏电阻为八个，放置于“十”字型结构每个测量单元X/Y方向上，且与加热器的方向垂直；
四对加热器中的两对放置在X轴方向上，且与X轴垂直；另外两对放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；
四对加热器的通电方式为周期式推挽式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；
所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。
2.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，每对所述加热器均由两个相同频率的方波信号驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50％。
3.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述“十”字型凹槽的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓。
4.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述“十”字型凹槽的高度为整个敏感层高度的2/3至3/4。
5.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为50μm至100μm。
6.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为15μm至20μm。
7.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述测量单元的宽度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
8.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述加热器是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成。
9.根据权利要求1所述的“十”字型推挽流微机械三轴薄膜陀螺，其特征在于，所述热敏电阻是由重掺杂的n型GaAs材料电阻线构成。
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