CN113124846A - 半桥式推挽流z轴薄膜陀螺及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半桥式推挽流z轴薄膜陀螺及其加工方法，该z轴薄膜陀螺包括敏感层和盖板，敏感层的上表面设置有一对加热器、一对热敏电阻、一对平衡电阻和一根隔离电阻；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。本发明由于其采用半桥式的推挽流，较其他工作原理的微型惯性传感器，其特点是灵敏度是单一工作臂的2倍，本发明采用推挽式热流，响应速度快，稳定性好；采用半桥，平衡电阻的阻值是热敏电阻的数百倍，有利于电压信号进一步放大时的阻抗匹配，防止干扰，抗干扰性强。

Description

半桥式推挽流z轴薄膜陀螺及其加工方法

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，尤其是涉及一种半桥式推挽流z轴薄膜陀螺及其加工方法，属于惯性测量领域。

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，优秀的抗振动和冲击特性，使得其与电容式微机械振动陀螺竞争中、低精度、低价格的微型陀螺市场成为可能。

微型热流陀螺的敏感工作原理是利用加热器通电产生热量，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，首先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。其次，提取电路和传感器的敏感元件芯片是分立的，提取电路需要额外制作，没有和敏感元件集成在一个芯片上，所以集成度不高，传感器体积大。第三，这种分立器件中四臂电桥中的电阻如果不在同一温度场中，各个电阻的温度系数有差异，很容易造成温度漂移，影响传感器的精度，从而限制了它的应用领域。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半桥式推挽流z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：

本发明提供一种半桥式推挽流z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一对加热器、一对热敏电阻、一对平衡电阻和一根隔离电阻；

定义所述隔离电阻的放置方向为Y方向，与其放置方向垂直的方向为X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Y方向平行，用于检测Z轴的角速度；

检测Z轴角速度的热敏电阻及平衡电阻放置于敏感层上表面X方向的两侧，一对加热器分别放置于敏感层上表面Y方向的两侧；

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，所述敏感层上表面至所述盖板上凹槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为200μm至1000μm。

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，所述加热器和所述热敏电阻的长度一致，均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，所述加热器均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，所述热敏电阻均是由n型重掺杂GaAs材料电阻线构成。

作为一种进一步的技术方案，所述隔离电阻由高度为25μm至30μm的Si₃N₄材料电阻线构成。

作为一种进一步的技术方案，所述平衡电阻不参与敏感气流的偏转，其阻值为所述热敏电阻阻值的100倍。

一种加工权利要求1-9任一所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺的方法，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及平衡电阻；

步骤二：溅射TaN层作为上表面加热器；

步骤三：分别溅射Ti/Au/Ti，形成

厚的焊盘和敏感电阻线；

步骤四：采用化学气相沉积(PECVD)技术沉积

厚的Si₃N₄，制备隔离电阻；

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，形成半桥式推挽流z轴薄膜陀螺。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.这种陀螺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，该陀螺的敏感元件中无悬臂梁结构，工艺简单，敏感元件成品率高，成本低。

2.这种薄膜式微机械热流陀螺中的敏感元件中提取电路中的四臂电桥均在一个芯片上实现，同一结构，同一工艺制作，使得电桥的桥臂电阻的电阻离散程度小，非常容易制作温度系数相同的电阻，而且电桥的各个桥臂均同在一个温度场中，不会造成因温度系数和温度梯度不同导致的温度漂移。

3.本发明中两个阻值相同的热敏电阻作为工作电阻和另外两个阻值相同的平衡电阻(非工作电阻)构成半等臂电桥，两个工作臂均参与敏感热气流的偏转，灵敏度是单一工作臂的两倍，大大提高了陀螺灵敏度。

4.采用了推挽式热流，热流状态转变快，热流流速大、气流状态稳定，不仅相应速度快，陀螺灵敏度高，稳定性好。

5.平衡电阻的阻值是热敏电阻的数百倍，有利于电压信号进一步放大时的阻抗匹配，防止干扰。

6.本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，具有高集成度的潜力。

7.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。

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盖板的三维结构示意图；

图3为本发明实施例提供的敏感层的俯视图；

图4为图3的A-A向剖视图；

图5为本发明实施例提供的工作原理图；

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8本发明实施例提供的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺的制备工艺流程图；

图标：1-敏感层、2-盖板、3-盖板凹槽、4-加热器、5-加热器、6-热敏电阻、7-热敏电阻、8-平衡电阻、9-平衡电阻、10-隔离电阻、11-TaN材料电阻块、12-TaN材料电阻块、13-Si₃N₄材料电阻块、14-n型重掺杂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，本实施例提供一种半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，包括敏感层1和盖板2，其中，

所述敏感层1的上表面设置有一对加热器、一对热敏电阻、一对平衡电阻和一根隔离电阻；

定义所述上表面隔离电阻10的放置方向为Y方向，与其放置方向垂直的方向为X方向，敏感层1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Y方向平行，用于检测Z轴的角速度；

检测Z轴角速度的热敏电阻6和热敏电阻7及平衡电阻8和平衡电阻9放置于敏感层上表面X方向的两侧，加热器4和加热器5放置于敏感层上表面Y方向的两侧，加热器4和加热器5与热敏电阻6和热敏电阻7相互平行；

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2上刻蚀有盖板凹槽3，且与敏感层1的上表面密闭连接。

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％。加热器交替通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成热流。作用于加热器上的方波信号交替加热，这样在每对加热器间形成一种推挽式的热流。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。方波信号驱动加热器工作分为两个阶段，在第一个阶段，加热器4通电加热，加热器5不通电，产生与加热器4正交方向的热气流。在第二个阶段，加热器5通电加热，加热器4不通电，产生与加热器5正交方向且与第一阶段方向相反的热气流。两个阶段中的加热器连续工作将构成推挽式的热气流。其中，两个阻值相同的热敏电阻6和7和另外两个电阻阻值相同的平衡电阻8和9构成半等臂惠斯登电桥，热敏电阻6和7作为工作桥臂参与敏感气流的偏转，平衡电阻8和9不参与敏感气流的偏转，因此构成一个半桥式推挽流z轴薄膜陀螺。平衡电阻8和9的阻值为热敏电阻6和7阻值的100倍，这样有利于提高电桥不平衡电压的灵敏度和电压信号进一步放大时的阻抗匹配，防止干扰。以第一阶段为例说明Z轴热流陀螺的工作原理。如果在Z轴方向输入角速度Ωz时，由于哥氏力(Coriolis force)原理，加热器4产生的热流和加热器5产生的热流在XOY面内沿着相反的方向到达两相对平行的热敏电阻6和7，在热敏电阻组成的平面上，形成相反加热效应，在两相对平行的热敏电阻6和7产生了与输入角速度Ωz成正比的温差。输入角速度产生的温差，通过上述惠思登电桥桥臂阻值的改变转化为与角速度Ωz成正比的电压不平衡电压ΔVout输出，从而敏感Z轴方向上的角速度。两个桥臂作为工作臂均参与敏感热气流的偏转，灵敏度是单一工作臂的两倍，大大提高了陀螺灵敏度。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述敏感层1上表面至所述盖板2上凹槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为200μm至1000μm。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述敏感层1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，所述加热器和所述热敏电阻的长度一致，均为整个敏感层宽度的1/6至1/5。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，检测Z轴方向角速度的加热器与热敏电阻的间距为加热器长度的1/4至1/3。

作为一种进一步的技术方案，所述隔离电阻由高度为25μm至30μm的Si₃N₄材料电阻线构成。

作为一种进一步的技术方案，所述平衡电阻不参与敏感气流的偏转，其阻值为所述热敏电阻阻值的100倍。

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，所述加热器均是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成。所述热敏电阻均是由n型重掺杂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11、12及1个Si₃N₄材料电阻块13。其中TaN材料电阻块11由4个串联的“电阻”组成，而每个“电阻”具体实现形式为3根并联的具有高温度系数的TaN材料电阻线。通过这样设计TaN材料电阻线，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。热敏电阻为n型重掺杂GaAs材料电阻块14。其中n型重掺杂GaAs材料电阻块14由5个串联的n型重掺杂GaAs材料电阻线。通过这样设计GaAs材料电阻线，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。

结合图8所示，本发明所公开的半桥式推挽流z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(a)：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及平衡电阻。

步骤(b)：溅射TaN(氮化钽)层作为上表面加热器。

步骤(c)：分别溅射Ti/Au/Ti，形成

厚的焊盘和敏感电阻线。

步骤(d)：采用化学气相沉积(PECVD)技术沉积

厚的Si₃N₄，制备隔离电阻。

步骤(e)：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(f)：对加工出来的结构进行封装，形成半桥式推挽流z轴薄膜陀螺。

综上所述，本发明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，这种半桥式推挽流z轴薄膜陀螺敏感元件中无悬臂梁结构，工艺简单，敏感元件成品率高，实际成本低。薄膜式微机械热流陀螺中的敏感元件中提取电路中的四臂电桥均在一个芯片上实现，同一结构，同一工艺制作，不会造成因温度系数和温度梯度不同导致的温度漂移。同时，由于采用了推挽式热流，热流状态转变快，热流流速大、气流状态稳定，不仅相应速度快，陀螺灵敏度高，是单一工作臂的两倍，稳定性好。平衡电阻的阻值是热敏电阻的数百倍，有利于电压信号进一步放大时的阻抗匹配，防止干扰。本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，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 (10)

1.一种半桥式推挽流z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一对加热器、一对热敏电阻、一对平衡电阻和一根隔离电阻；

定义所述隔离电阻的放置方向为Y方向，与其放置方向垂直的方向为X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Y方向平行，用于检测Z轴的角速度；

检测Z轴角速度的热敏电阻及平衡电阻放置于敏感层上表面X方向的两侧，一对加热器分别放置于敏感层上表面Y方向的两侧；

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所述的半桥式推挽流z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所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述敏感层上表面至所述盖板上凹槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为200μm至1000μm1。

4.根据权利要求1所述的半桥式推挽流z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。

5.根据权利要求1所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述加热器和所述热敏电阻的长度一致，均为整个敏感层宽度的1/6至1/5。

6.根据权利要求1所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，其特征在于，每个所述加热器均包括4个串联的“电阻块”，每个所述“电阻块”由3根并联的具有高温度系数的TaN材料电阻线构成。

7.根据权利要求1所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述热敏电阻均是由5根串联的n型重掺杂GaAs材料电阻线构成。

8.根据权利要求1所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述平衡电阻不参与敏感气流的偏转，其阻值为所述热敏电阻阻值的100倍。

9.根据权利要求1所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述隔离电阻不参与敏感气流的偏转，由1根Si₃N₄材料电阻线构成。

10.一种加工权利要求1-9任一所述的半桥式推挽流z轴薄膜陀螺的方法，其特征在于，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及平衡电阻；

步骤二：溅射TaN层作为上表面加热器；

步骤三：分别溅射Ti/Au/Ti，形成

厚的焊盘和敏感电阻线；

步骤四：采用化学气相沉积(PECVD)技术沉积

厚的Si₃N₄，制备隔离电阻；

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，形成半桥式推挽流z轴薄膜陀螺。

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