CN1326092A - 微型热流陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型测量仪器技术领域,由封闭的半导体硅腔体、一根加热丝或两片激振硅片和位于其两侧相互对称的四根热敏丝,以及与该热敏丝相连的检测电路构成;所说的加热丝或激振硅片和热敏丝悬固在硅腔体上面。本发明为具有结构简单、无活动部件、可以基本利用标准工艺制作的微机电系统,并有较高的可靠性和产品合格率,可以充分发挥微系统可大批量生产的优点。

Description

微型热流陀螺

本发明属于微型测量仪器技术领域，特别涉及微型导航器件的设计。

微机电系统(MEMS)是指可以用微电子等批量加工工艺制造的集微机械与微电子等部件于一体的微系统，它可以分成多个独立的功能单元，输入的物理或化学信号由传感器转换为电信号，经过信号处理后，通过执行器与外界作用。MEMS的特点和优点是显而易见的：体积小、重量轻、性能稳定、通过IC等工艺可批量生产、成本低、性能一致性好、功耗低、谐振频率高、响应时间短、综合集成度高、附加值高、具有多种能量转化、传输等功能的效应等。鉴于上述特性和优点，MEMS自80年代中末期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。

沿垂直于敏感轴向作振动的加速度计能敏感垂直于敏感轴和振动轴的第三轴的旋转角速率。利用该原理研制的惯性元件，能敏感角速率。人们利用该原理，先后研制出了速率陀螺和速率积分陀螺，特别是采用MEMS技术研制的微机械振动陀螺具有很大的发展前途。其结构主要是由活动的质量块附加振动装置及加速度检测装置组成，如图1所示。硅片1(活动的质量块)沿Z轴方向振动，当有沿X轴方向的角速度时，硅片会产生沿Y轴方向的加速度，该加速度使得硅片在Y方向上产生偏移，偏移被安置在两面玻璃2上的电极3所探测，由此测得加速度。该加速度中除牵连加速度、相对加速度、还包含哥氏加速度，由于前两部分均为平方项，而第三项随着振动速度的正负反向呈现出正负交变特性，通过对正负半周进行差分处理，可以将平方项消除，仅仅保留交变的哥氏部分。因为哥氏加速度与沿X方向的角速度成正比，所以知道哥氏加速度即可求得角速度。该设计结构比较复杂，有活动部件(硅片)，需要采用复杂的硅加工工艺，工艺难度较大，由此带来可靠性差，产品合格率低。目前国际上还没有批量生产的微机械陀螺。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种微型热流陀螺，使其成为具有结构简单、尽可能无活动部件、可以基本利用标准工艺制作的微机电系统，并有较高的可靠性和产品合格率，可以充分发挥微系统可大批量生产的优点。

本发明提出的一种微型热流陀螺，其特征在于，包括：由封闭的半导体硅腔体、一根加热丝或两片激振硅片和位于其两侧相互对称的四根热敏丝，以及与该热敏丝相连的检测电路构成；所说的加热丝或激振硅片和热敏丝悬固在硅腔体内上面。

本发明所说的检测电路可包括：所说的两热敏电阻与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏电阻之间、两参考电阻之间与一级差动放大器相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；该二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连。

所说的检测电路还可包括：所说的两对热敏电阻中的一个热敏电阻的一端分别与一同相放大器的输出端相连，另一个热敏电阻的一端分别与一反相放大器的输出端相连，所说的两个同相放大器和两个反相放大器的输入端接入一高频信号源，所说的两对热敏电阻的另一端分别与一前置放大器的输入端相连，两前置放大器的输出端与一差动放大器的输入端相连，差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连。

本发明可选用半导体硅材料，主要采用半导体平面工艺和正面体硅工艺制作。

本发明的技术特点在于：利用封闭腔体内气体的热膨胀和收缩效应，用气体分子作为敏感载体，省去了活动质量块，结构简单、工艺上可以采用和IC工艺兼容的表面工艺和正面体硅工艺，易于与驱动电路实现单片集成，由于没有活动的质量块，它具有大量程和耐冲击的特点；该发明的技术特点还在于通过热敏丝的对称放置和后续的信号处理消除了非哥氏效应之外的其它加速度的影响，并提高了测量灵敏度；该发明中的设计在国内外还没有相关、相似的设计，国内有关微机电器件的发明还没有，本发明属于国内首例MEMS器件发明。

本发明的效果：设置热源的交变频率，使加热丝产生加热过程，气体开始热膨胀，此时通过电阻电桥检测四个热敏丝之间的温差，由前面的公式可以求出角速度ω。由于利用热膨胀产生速度V，该速度受有限热源交变频率的限制，速度只能达到毫米/秒：根据已有的热对流式加速度计(体积仅占毫米立方)的灵敏度为毫g，则角速度的灵敏度为百度/秒；根据成熟技术热对流加速度计的有效量程为10g，热流式微陀螺的有效检测量程为百万度/秒。如果进一步提高热敏检测的灵敏度和量程，可以相应提高微型热流陀螺的灵敏度和量程。

附图的简要说明：

图1为已有的微机械振动陀螺结构示意图

图2为本发明的微型热流陀螺实施例一结构示意图，

   其中，a为主剖视图，b为的俯视图；

图3为本发明的微型热流陀螺检测电路实施例一原理图；

图4为本发明的微型热流陀螺检测电路实施例二原理图；

图5为本发明的微型热流陀螺实施例二结构示意图，

   其中，a为主剖视图，b为的俯视图。

本发明设计的二种微型热流陀螺实施例，其结构及工作原理结合各附图详细说明如下：

实施例一为采用加热丝的微陀螺，其结构如图2所示。

本实施例选用半导体硅材料10，主要采用半导体平面工艺和正面体硅工艺制作。其结构由硅腔体、加热丝和相互对称的四个温度传感器(热敏丝)构成，加热丝和热敏丝悬在硅腔体内上面，再用玻璃将加热丝和热敏丝封闭在腔体内。

其工作原理为：加热丝11受到电压调制，进行交变加热。在加热半周期内，加热丝11使其周围的气体(腔体12中位于加热丝11两面的气体)温度升高、密度减小，气体呈现热膨胀；在非加热半周期内，气体为达到密度平衡呈现反向的收缩现象；因而，无论是膨胀、还是收缩，加热丝两边的气体均分别向X轴正方向和负方向流动，流动速度大小相等、符号相反。仅取加热半周期的热膨胀，在热膨胀的前提下来进行信号处理。此时，半腔体13中气体有沿X轴正方向的运动线速度V，半腔体14中气体有沿X轴负方向的运动线速度-V，当有沿Y轴方向的角速度ω存在时，将会导致产生沿Z轴方向的绝对加速度a： $a_1=a_0+\frac{V^2}{r}+r{\mathrm{\ω}}^2-2\mathrm{\ωV}$ 半腔体3中气体加速度 $a_2=a_0+\frac{V^2}{r}+r{\mathrm{\ω}}^2+2\mathrm{\ωV}$ 半腔体4中气体加速度其中a₀为沿X轴方向的牵连线加速度，V为气体的热膨胀速度，r为角速度ω的旋转轴心与加热丝之间的距离，等式右边第四项2ωV为哥氏加速度。气流在加速度的作用下沿X轴发生偏转，使得四个热敏丝之间的温度产生差异。热敏丝采用热敏电阻，可以与外接参考电阻构成电阻电桥(如图3、图4所示)。设热敏丝15上测得的温度为T₅(对应电阻R₅)，热敏丝16上测得的温度为T₆(R₆)，热敏丝17上测得的温度为T₇(R₇)，热敏丝18上测得的温度为T₈(R₈)。以下为信号处理方法：第一步：测得热敏丝15和热敏丝17之间的温差(通过电阻电桥由电桥的输出电压信号反映温差)，设ΔT₁＝T₇－T₅；以及热敏丝16和热敏丝18之间的温差(检测原理同上)，设ΔT₂＝T₈－T₆；第二步：由于在半腔体13中的两热敏丝之间的温差ΔT₁与加速度a₁成正比，即

               ΔT₁＝K·a₁同样，半腔体14中的两热敏丝之间的温差ΔT₂与加速度a₂成正比，即

               ΔT₂＝K·a₂将两温差再求差，得；

    ΔT₂－ΔT₁＝K·(a₂－a₁)＝K·4ωV＝K′ωV由于K′为预知常数，V为可控、可测值(通过调节加热丝交变频率)，因而待测角速度ω为

实施例二为采用激振硅片的微陀螺，其结构如图5所示。本实施例结构是用两片激振硅片替代实施例一中的加热丝，其它部分均与实施例一相同。本实施例为提高热流的速度V，采用两片硅片作为激振源，对两片硅片21a和21b通高频的交变电流，利用两导电片产生的磁推力使导电片分别产生周期性的向外突起，从而推动气体沿X轴正向和负向移动；两激振硅片的驱动也可以采用静电驱动方式，由两硅片形成电容的两极，通过交变充放电，使得激振硅片产生周期性的振动，从而推动气体移动。半腔体23中气体沿X轴正方向的运动线速度为V，半腔体24中气体沿X轴负方向的运动线速度为-V，陀螺效应及检测原理同上。该激振驱动可以使气体运动速度提高到1m/s，由此陀螺(即角速度)的灵敏度可达到0.15度/秒，有效检测量程为十万度/秒。如果再进一步提高热敏检测的灵敏度和量程，可以相应提高微型热流陀螺的灵敏度和量程。

本发明的检测电路可以采用两种实施方案：

实施例一的结构为：两热敏电阻R5和R7与参考电阻Ro组成电阻电桥B1，R5与R7之间的差动电阻信号通过差动放大器U1(MAX4199)得到；两热敏电阻R6和R8与参考电阻Ro组成电阻电桥B2，R6与R8之间的差动电阻信号通过差动放大器U2(MAX4199)得到；R5、R7的差动和R6、R8的差动之间的二次差动信号通过差动放大器U3(MAX4199)得到；经过相敏解调器U4(AD630)将陀螺信号(即角速度信号)从交变的热源(或振动源)信号中解调出来，再经过低通滤波器U5(MAX263)消除信号中的高频干扰，由直流放大器U6(0P07)将信号放大并输出。实施例二的结构为：高频信号源D1分别通过同相放大器D2(OP07)、D4(OP07)，经热敏电阻R5、R6产生热敏电阻R5、R6的正向信号；D1分别通过反相放大器D3(OP07)、D5(OP07)，经热敏电阻R7、R8产生热敏电阻R7、R8的反向信号；R5、R7之间的差动信号经过前置放大器D6(LF353)放大，R6、R8之间的差动信号经过前置放大器D7(LF353)放大；R5、R7之间的差动信号与R6、R8之间的差动信号再经过差动放大器D8(MAX4198)进行二次差分，由后续的相敏解调器D9(AD630)将陀螺信号(即角速度信号)从交变热源(或振动源)信号以及高频载波信号源D1中解调出来，通过低频滤波器D10(MAX263)消除高频干扰，经过直流放大器D11(OP07)将信号放大输出。

Claims (4)

1、一种微型热流陀螺，其特征在于，由封闭的半导体硅腔体、一根加热丝和位于该加热丝两侧相互对称的四根热敏丝，以及与该热敏丝相连的检测电路构成；所说的加热丝和热敏丝悬固在硅腔体内上面。

2、一种微型热流陀螺，其特征在于，由封闭的半导体硅腔体、两片激振硅片和位于该激振硅片两侧相互对称的四根热敏丝，以及与该热敏丝相连的检测电路构成；所说的加热丝和热敏丝悬固在硅腔体内上面。

3、如权利要求1和2所述的微型热流陀螺，其特征在于，所说的检测电路包括：所说的两热敏电阻与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏电阻之间、两参考电阻之间与一级差动放大器相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；该二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连。

4、如权利要求1和2所述的微型热流陀螺，其特征在于，所说的检测电路还可包括：所说的两对热敏电阻中的一个热敏电阻的一端分别与一同相放大器的输出端相连，另一个热敏电阻的一端分别与一反相放大器的输出端相连，所说的两个同相放大器和两个反相放大器的输入端接入一高频信号源，所说的两对热敏电阻的另一端分别与一前置放大器的输入端相连，两前置放大器的输出端与一差动放大器的输入端相连，差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连。