CN1161618C - 微型硅桥式热对流加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及一种微型硅桥式热对流加速度传感器加速度传感器。包括一密封腔体，在该腔体中心处的一加热丝，对称置于该加热丝两侧的两对温度传感器，以及由该两对温度传感器构成的桥式温度检测电路。在汽车、航空、船舶导航系统、民用产品及军事等领域中有广泛的应用。本发明采用热对流原理来检测加速度信息，没有质量块，可工作在高量程下，耐冲击；采用硅微加工方法制造，便于大批量生产，尺寸小，成本低；用两对温度传感器检测加速度信息，并对结构参数和工作介质作了优化，使它具有良好的线性度、灵敏度和响应频率。

Description

微型硅桥式热对流加速度传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及适于硅微加工的热对流加速度计结构设计。

背景技术

加速度传感器在交通运输(汽车、飞机、船舶)、民用产品(照相机、玩具、鼠标)、工业控制和机器人及军事(导弹、精确制导武器、卫星)等领域都有广阔的应用前景。研制尺寸更小、性能更好、可靠性更高、价格更低的新型加速度计是人们一直在追求的目标。目前应用的加速度传感器，其普遍特点是需要检验质量块。质量块的存在使得传感器的测量范围窄、耐冲击能力弱、可靠性低，还使得结构尺寸较大、成本较高。另外，对质量块运动的检测也存在这样或者那样的问题，比如压电或者压阻式加速度计受温度影响比较明显，而电容式受初始寄生电容影响较大。

上述问题促使人们寻求不用质量块的加速度传感器。1996年，美国专利5581034提出了一种以流体作为工作介质的加速度传感器，并采用常规的机械加工方法给予了实现，其示意图如图1所示。图中1，5为地线接头，9，12为温度传感器，2，4，6，8为温度传感器接头，11为加热丝，3，7为加热丝的接头，10为密封容器，13为加速度方向。它的工作原理为：当加热丝11通电流加热的时候，它的温度升高，靠近它周围的流体的温度也相应升高，从而在密封腔体内形成自然对流。当没有加速度作用于此器件的时候，气体的流动和传热以加热丝为轴对称分布于两边，两个对称布置的温度传感器9，12检测到相同的温度，而当有加速度13作用于此器件的时候，腔体中的流动和换热将不再对称分布，两个温度传感器9、12将检测到不同的温度，它们之间的温度差比例于加速度的大小。加速度越大，腔体内的自由对流的不对称性越强，温差也就越大。通过检测温度差就可以获得加速度的大小。上述加速度计由于采用气体作为工作介质，克服了一般的加速度计中采用质量块带来的问题，具有较多优点。该加速度传感器的不足之处在于：1)结构尺寸大、响应频率低；2)灵敏度差；3)输出信号非线性。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，应用上述热对流原理，提出一种微型硅桥式热对流加速度传感器，对其结构参数和工作介质进行了优化的选取。本发明适于硅微加工，具有体积小、成本低、性能好等特点。

本发明提出一种微型硅桥式热对流加速度传感器，其特征在于，包括一密封腔体，在该腔体中心处的一加热丝，对称置于该加热丝两侧的两对温度传感器，以及由该两对温度传感器构成的桥式温度检测电路；所说的加热丝及4个温度传感器为横跨该腔体的桥式结构。

靠近所说的加热丝的第一对传感器可位子距离加热丝0.2-0.3倍于腔体半长的位置处，第二对传感器可距离第一对传感器1-3倍的加热丝宽度的位置处，所说的腔体高度可为10-15倍于加热丝的厚度。

所说的硅微热对流加速度计采用硅材料作为基本材料，采用硅微加工工艺制造。

本发明腔体的工作介质在应用于高灵敏度的场合时采用密度大的气体，而在需要高响应频率时候采用小密度气体。

本发明的工作原理基于热对流，但与美国专利5581034不同的是：本发明采用适合于硅微加工的方案、采用矩形腔体、同时采用对称分置在加热丝两侧的四个温度传感器来检测加速度。采用矩形腔体和多个温度传感器是为了提高信号的灵敏度和线性度。

本发明热对流加速度传感器的测试电路采用桥式电路，其示意图如图2所示，图中R1到R4均为桥臂电阻，亦即对应加速度计的四个温度传感器。

在其它条件相同的情况下，四个温度传感器布置成桥式电路方案的输出电压信号(代表了加速度计的灵敏度)可表达为：

$u=\frac{1}{2}\mathrm{E\ξ}(\mathrm{\Δ}{T}_1-\mathrm{\Δ}{T}_3)---\left(1\right)$

两个温度传感器布置方案的输出电压信号表达为：

$u=\frac{1}{2}\mathrm{E\ξ\Δ}{T}_1---\left(2\right)$

上述两式中E为电源电压，ξ为温度传感器的电阻温度系数，ΔT₁和ΔT₃分别为两对对称传感器的温差。由于ΔT₃为负值，显然四个温度传感器布置方案的加速度的灵敏度将比两个温度传感器布置方案的灵敏度提高接近一倍。另外还注意到公式(1)和(2)的温差和输出电压成线性关系，这意味着该加速度计的检测电路能够获得较好的线性关系。由于推导(1)式只需要两个假设关系，而推导(2)式需要三个假设关系，这也就是说采用四个温度传感器的布置方案的加速度计更容易获得较好的线性度，较两个温度传感器布置方案的加速度计，它能改善线性度。

一般说来热对流加速度计的响应频率较低。研究表明，提高热响应频率的关键在于器件尺寸要小，其次要有比较好的工作介质。MEMS技术的迅猛发展使得集成电路加工方法能够用在其他器件的加工中，因此器件微型化得以实现，这也就是常说的硅微加工方法。

本发明的特点和应用范围：

1、采用硅微加工技术来制造，具有尺寸小、成本低、性能好的特点；

2、采用四个温度传感器对称布置来检测加速度信号，使器件的灵敏度和线性度得到很大的提高；

3、对结构参数和工作介质作了优化，使器件获得较高的性能；

4、本发明可以在不同场合下应用，特别适合测量大加速度和存在强冲击的情况下工作。

附图说明

图1为已有的热对流加速度计的结构示意图。

图2为本发明中的桥式测量电路的原理示意图。

图3为本发明的实施例结构示意图。

图4为本发明的硅微加工工艺过程示意图。

具体实施方式

本发明设计的一种微型硅桥式热对流加速度传感器实施例，结合附图详细说明如下：

本实施例的结构如图3所示，它主要由硅基17、用于提供自然对流空间的腔体16、加热丝14、温度传感器151、152、153、154和其对应的电接触片181、182、183和184构成。硅基17的高度为500μm，腔体16的长度为3000μm，宽度为910μm，高度为250μm。加热丝14的宽度为80μm，高度为2μm。温度传感器15的宽度为30μm，高度为2μm。靠近加热丝的一对温度传感器152和153对称布置在加热丝两边，它们的距离为750μm。另一对传感器151和154也对称布置在加热丝两边，它们之间的距离为1050μm。

本实施例采用四个温度传感器151、152、153、154来检测加速度。测试电路采用桥式电路，其示意图如图2所示，图中R1到R4均为桥臂电阻，亦即加速度计的四个温度传感器，其中R1、R3对应图3中的153和151，R2、R4对应图3中152和154。

本实施例采用硅微加工方法对传感器结构进行加工，基本加工过程如图4所示，由于四个传感器的加工完全相同，且两两对称，为了描述方便，图4中只完整地画出了一个传感器的加工过程。

首先是在硅基19上用湿热氧化方法形成一层二氧化硅20，然后在LPCVD反应器中沉淀一层均匀的多晶硅21，并在多晶硅的上面长上另一层二氧化硅22(图4(a))。对在上面的一层二氧化硅和多晶硅层进行光刻以便形成加热丝、温度传感器和电接触片。在光刻后，多晶硅侧面23暴露出来(图4(b))。再在多晶硅侧面通过氧化过程形成一层氧化层24，以保护多晶硅在EDP(ethylene diamine-pyrocatechol，一种硅刻蚀剂)中各向异性刻蚀时不受影响。通过刻蚀，在氧化层上面电接触片窗口25和腔体窗口26被打开(图4(c))。随后将一层硼浸入硅区以便形成连接加热丝和加热器的电极，然后通过光刻胶27，将一层钛/金/铜的混合金属28喷到它的上表面(图4(d))。当这层金属被剥离后，连接块29和腔体窗口30形成(图4(e))。最后，整个硅基放在EDP中刻蚀直到腔体31形成(图4(f))。

对本发明的优化分析表明，温度传感器布置在较靠近加热丝的地方(腔体半长0.3倍左右)能提高热对流加速度计的灵敏度和线性度。腔体的高度应尽可能高些，通常10-15倍于加热丝的高度，这样可以避免由于边界作用抑止了腔体内的流动而降低了加速度计的性能。在工作介质的选取方面，如果要提高热对流加速度计的灵敏度，可采用密度较大的气体比如二氧化碳，而要提高响应频率，一般而言应选取密度较小的气体。

Claims (3)

1、一种微型硅桥式热对流加速度传感器，其特征在于，包括一密封腔体，在该腔体中心处的一加热丝，对称置于该加热丝两侧的两对温度传感器，以及由该两对温度传感器构成的桥式温度检测电路；所说的加热丝及4个温度传感器为横跨该腔体的桥式结构。

2、如权利要求1所述微型硅桥式热对流加速度传感器，其特征在于，所说的靠近加热丝的第一对传感器位于距离加热丝0.2-0.3倍于腔体半长的位置处，第二对传感器距离第一对传感器1-3倍的加热丝宽度的位置处，所说的腔体高度为10-15倍于加热丝的厚度。

3、如权利要求1所述微型硅桥式热对流加速度传感器，其特征在于，所说的硅微热对流加速度计采用硅材料作为基本材料，采用硅微加工工艺制造。

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