CN1333257C - 射流角速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种射流角速度传感器及其制备工艺，属于微电子机械系统设计及加工领域。该传感器包括两个振动腔、四个整流腔和一个检测腔，振动腔内气体被驱动可循环，在每个振动腔两侧分别设有两个整流腔，被驱动的气体经整流腔流入检测腔，循环气体在检测腔内始终沿一个方向流动，所述检测腔内对称地放置两根热敏电阻丝，并将这两根热敏电阻丝接入一个惠斯登电桥，所述整流腔为狼牙棒流体二极管，该流体二极管是由若干规律排列的狼牙棒形挡板组成。本发明射流角速度传感器的尺度可缩小到几个毫米，真正实现了射流角速度传感器的微型化，大大扩展了射流角速度传感器的应用范围。

Description

射流角速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统设计及加工领域，具体涉及到一种射流角速度传感器及其制备工艺。

背景技术

射流角速度传感器通常是利用科里奥利力改变气流速度分布的原理来检测角速度的，在传感器的检测腔内对称地放置两根热敏电阻丝，热敏电阻丝接入一个惠斯登电桥，在压电驱动或静电驱动下，腔体内部的气体能够循环起来，而且检测腔内的气体始终是朝一个方向流动的。当无角速度输入时，检测腔内的气体速度呈对称的抛物线分布；当有角速度输入时，科里奥利力会使检测腔内的气体速度分布偏离于抛物线分布，偏离的方向和程度取决于输入角速度的矢量特性。这种新的不对称分布造成了一对热敏电阻丝不同程度的冷却，电阻阻值因此会发生不同程度的变化，从而引起电桥输出电压的变化。目前国内和国外的射流角速度传感器均是用传统的机械加工方法制成的，如北京信息工程学院研制的射流角速度传感器，参考文献“压电射流角速率传感器”任宏超，张福学，《传感器技术》，1998年第17卷第1期。该射流角速度传感器内的循环气流是压电泵激励产生的气体层流束，体积较大，在很大程度上限制了其应用。微型化的射流角速度传感器的研究尚未见报道。

发明内容

本发明克服了上述射流角速度传感器体积大的缺陷，提供一种射流角速度传感器，采用MEMS技术，将射流角速度传感器的尺度缩小到几个毫米，真正实现了射流角速度传感器的微型化。

本发明的技术内容：一种射流角速度传感器，包括：振动腔和检测腔，振动腔内气体被驱动可循环，循环气体在检测腔内始终沿一个方向流动，所述检测腔内对称地放置两根热敏电阻丝，并将这两根热敏电阻丝接入一个惠斯登电桥，振动腔为两个，在每个振动腔两侧分别设有两个整流腔，被驱动的气体经整流腔流入检测腔，每个整流腔为一个狼牙棒流体二极管，该流体二极管是由若干规律排列的狼牙棒形挡板组成。

振动腔采用压电驱动或静电驱动。

所述两个振动腔的腔顶可各贴有一张压电陶瓷片，两张压电陶瓷片由相位相反的交流电压控制。

检测腔位于两个振动腔之间。

狼牙棒形挡板与侧壁的夹角可为10°-80°。

狼牙棒形挡板在每个流体二极管中的数目为2-12。

一种射流角速度传感器的制备方法，其步骤包括：由硅片和硅片/玻璃键合而成，

1)硅片/玻璃部分：

(1-1)将热敏电阻丝和引线制作在硅片/玻璃上；

(1-2)刻蚀硅片/腐蚀玻璃形成两个振动腔、四个整流腔和一个检测腔的下半部分；

2)硅片部分：

(2-1)选择性氧化将绝缘层做到硅片上；

(2-2)刻蚀硅片形成两个振动腔、四个整流腔和一个检测腔的上半部分；

3)将硅片/玻璃和硅片键合；

4)制作振动腔的压电驱动。

本发明的技术效果：

1、本传感器采用微电子机械系统(MEMS)技术制成，具有体积小、重量轻、成本低、寿命长、能大批量生产等特点。

2、通过调节检测腔的宽度，可以改变传感器的精度和量程，满足不同场合的需要。可根据用户的需要设计检测腔的宽度，相当灵活。

3、由于本传感器的尺寸很小，所以雷诺数也就很小，不容易发生紊流。

4、本传感器布局合理、结构紧凑。例如引线下方的隔离墙既支撑了引线，又将检测腔与振动腔、整流腔隔离，一举两得。器件的外部轮廓规则，有助于在一个硅片上集成多个器件。

5、本传感器的敏感质量为气体而非固体，避免了在大冲击或强震动时，因质量力过大而造成器件的损坏，具有耐冲击、抗过载特点。

6、本传感器除驱动部分外无任何可动部件，避免了器件的磨损，延长了使用寿命。

附图说明

下面结合附图，对本发明做出详细描述。

图1为本发明射流角速度传感器的结构示意图；

图2为沿图1P-P面的截面图；

图3为本发明狼牙棒流体二极管的结构示意图；

图4为本发明射流角速度传感器的工艺流程。

11-玻璃；12-TiW/Pt；13-TiW/Au；14-SiO₂；15-硅；16-压电陶瓷片；

17-Si₃N₄。

具体实施方式

图1为狼牙棒射流角速度传感器的结构示意图，图2为图1P-P面的截面图。从图中可知，狼牙棒射流角速度传感器由四个整流腔1、2、3、4和两个振动腔5、6、以及一个检测腔7组成。在检测腔7内对称地放置两根热敏电阻丝9，这两根热敏电阻丝9通过引线10接入一个惠斯登电桥。引线10下方的隔离墙既支撑了引线，又将检测腔7与振动腔5、6以及整流腔1、2、3、4隔离，四个整流腔分别设置在两个振动腔两侧，检测腔7位于两个振动腔5、6之间，每个整流腔为一个狼牙棒流体二极管，该狼牙棒流体二极管是由六块狼牙棒形挡板8组成，挡板8互相交错有规律地排列，呈狼牙棒形，狼牙棒流体二极管是整个传感器的核心部件。

以下是狼牙棒射流角速度传感器内气体单向循环的原理：

狼牙棒射流角速度传感器通过四个整流腔1、2、3和4，两个振动腔5和6以及检测腔7来实现气体单向循环。狼牙棒射流角速度传感器可由压电陶瓷片驱动，也可由静电、电磁或其他方式驱动。如果采用压电驱动，在两个振动腔的腔顶各贴一张压电陶瓷片，这两张压电陶瓷片由相位相反的交流电压控制，它们振动的相位是相反的。图3为狼牙棒流体二极管的结构示意图，狼牙棒流体二极管是一种二端非线性元件。如图3所示，狼牙棒流体二极管的两个开口分别规定为正极18和负极19，并规定气体在管子内部从正极18流向负极19的流动方向为正方向，其相反的流动方向为负方向。在相同压强差的作用下，流体沿正方向流动时的流量略大于流体沿负方向流动时的流量，即流体沿正方向流动时狼牙棒流体二极管的流阻要比流体沿负方向流动时狼牙棒流体二极管的流阻小。当振动腔5的压电陶瓷片向上振动，振动腔6的压电陶瓷片向下振动时，振动腔5从整流腔1和整流腔2吸气，振动腔6向整流腔3和整流腔4吹气。因为整流腔1和整流腔4的流阻比整流腔2和整流腔3的流阻大，所以整流腔3的流量比整流腔1的流量大，整流腔2的流量比整流腔4的流量大。这样，就会有一股气流灌入整流腔的左端，其流量等于整流腔3的流量与整流腔1的流量之差。另外，还有一股气流从整流腔的右端流出，其流量等于整流腔2的流量与整流腔4的流量之差。可见，当振动腔5的压电陶瓷片向上振动，振动腔6的压电陶瓷片向下振动时，会有一股气流从左向右通过检测腔；当振动腔5的压电陶瓷片向下振动，振动腔6的压电陶瓷片向上振动时，由类似的讨论可知，同样会有一股气流从左向右通过检测腔。

总之，在振动腔的驱动下，气体能在整个器件内循环起来，而且检测腔内的气体总是从左向右流动。

为了简明起见，本文描述压电驱动的狼牙棒射流角速度传感器的制作工艺，截面图为沿图1的P-P面截得的。

本发明射流角速度传感器的制备是由硅片和玻璃键合而成，硅片部分包括：通过选择性氧化将绝缘层做到硅片上，刻蚀硅片以形成腔体；玻璃部分包括：通过溅射和剥离的方法，将热敏电阻丝和引线做到玻璃上，腐蚀玻璃以形成腔体；硅片上的图形和玻璃上的图形完全一样，只是硅片与铂丝或引线接触的地方有氧化层的保护。将玻璃和硅片阳极键合，再进一步制作振动腔的压电驱动。玻璃部分也可以由硅片代替，即可以是由硅片和硅片的键合制备本发明射流角速度传感器。

玻璃部分的工艺设计

(1)用1#版定义出热敏电阻丝和引线的图形；

(2)腐蚀玻璃4000埃

(3)溅射TiW/Pt 150/4000埃；

(4)剥离。至此热敏电阻丝和引线的图形已经制作到玻璃上，如图4a所示；

(5)溅射TiW/Au 150/1500埃，作为腐蚀玻璃的掩膜；

(6)用4#版定义出腔体的图形；

(7)腐蚀Au 1500埃，腐蚀TiW 150埃；

(8)腐蚀玻璃20微米。形成玻璃腔体，同时保证金属丝悬空；

(9)腐蚀Au 1500埃，腐蚀TiW 150埃，如图4b所示。

硅片部分的工艺设计

(1)在硅片上氧化800埃。LPCVD Si₃N₄ 1500埃，如图4c所示；

(2)用3#版定义出绝缘区的图形；

(3)RIE Si₃N₄ 1500埃，腐蚀SiO₂ 800埃；

(4)氧化3000埃，腐蚀SiO₂ 3000埃；

(5)氧化4200埃；

(6)腐蚀Si₃N₄ 1500埃，腐蚀SiO₂ 800埃，如图4d所示；

(7)用4#版定义出腔体的图形；

(8)腐蚀SiO₂ 4200埃；

(9)ICP Si 15微米。形成硅腔体；

(10)去胶，LPCVD SiO₂ 1200埃，致密。做振动片之间的绝缘用，如图4e所示；

键合以后的工艺设计：

(1)键合玻璃和硅片；

(2)用KOH减薄硅片至100微米，如图4f所示；

(3)溅射TiW/Au 150/1200埃。用作压电陶瓷片的下电极；

(4)用2#版定义出压电陶瓷片下电极的图形；

(5)腐蚀Au 1200埃，腐蚀TiW 150埃；

(6)用5#版定义出结构区的图形，ICP Si 100微米以释放结构区，贴压电陶瓷片，如图4g所示。

狼牙棒射流角速度传感器的主体部分就制作完成了。

狼牙棒射流角速度传感器可由压电驱动，也可由静电驱动，这两种驱动方式无本质区别。

Claims (7)

1、一种射流角速度传感器，包括：振动腔和检测腔，振动腔内气体被驱动可循环，循环气体流到检测腔内始终沿一个方向流动，所述检测腔内对称地放置两根热敏电阻丝，并将这两根热敏电阻丝接入一个惠斯登电桥，其特征在于：振动腔为两个，在每个振动腔两侧分别设有两个整流腔，检测腔位于两个振动腔之间，被驱动的气体经整流腔流入检测腔，每个整流腔为一个狼牙棒流体二极管，所述流体二极管是由若干有规律排列的狼牙棒形挡板组成。

2、如权利要求1所述的射流角速度传感器，其特征在于：振动腔采用压电驱动或静电驱动。

3、如权利要求2所述的射流角速度传感器，其特征在于：所述两个振动腔的腔顶各贴有一张压电陶瓷片，两张压电陶瓷片由相位相反的交流电压控制。

4、如权利要求1或2所述的射流角速度传感器，其特征在于：狼牙棒形挡板与侧壁的夹角为10°-80°。

5、如权利要求1所述的射流角速度传感器，其特征在于：狼牙棒形挡板在每个流体二极管中的数目为2-12。

6、一种射流角速度传感器的制备方法，其步骤包括：

1)硅片或玻璃部分：

(1-1)将热敏电阻丝和引线制作在硅片或玻璃上；

(1-2)刻蚀硅片或腐蚀玻璃形成射流角速度传感器的两个振动腔、四个整流腔和一个检测腔的下半部分，整流腔设置在振动腔的两侧，检测腔位于两个振动腔之间，且每个整流腔为一个狼牙棒流体二极管；

2)硅片部分：

(2-1)选择性氧化将绝缘层做到硅片上；

(2-2)刻蚀硅片形成射流角速度传感器的两个振动腔、四个整流腔和一个检测腔的上半部分；

3)将步骤1制备的硅片或玻璃和步骤2制备的硅片键合；

4)制作振动腔的压电驱动。

7、如权利要求6所述的射流角速度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤4包括：用KOH溶液减薄硅片，使振动腔的腔顶硅膜减薄，在振动腔的腔顶上制作压电陶瓷片的下电极，在下电极上贴压电陶瓷片。

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