CN208567915U - 一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，包括基板、顶面绝缘层、底面绝缘层、加热器，顶面绝缘层、底面绝缘层分别设置在基板上的上表面和下表面，加热器设置在基板的中部；所述基板四角顶面绝缘层上设有4组声表面波谐振器；所述底面绝缘层上设有输入信号电极、输出信号电极、接地电极；基板为正方形基板，基板的顶面绝缘层四边设有封接区，基板封接有封帽，封帽封接在基板的封接区上；通过本实用新型，采用声表面波谐振器作为感测元件，输出信号为准数字的谐振频率，分辨率高、测量精度高，便于对测量结果作进一步的数字化处理；采用常规的微机械加工工艺，并采用正方形基板和正方形封帽结构，适合于批量化生产。

Description

一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构

技术领域

本实用新型涉及一种角运动传感器结构，尤其涉及一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，属于微机电（MEMS）传感技术领域。

背景技术

基于热对流原理的微陀螺结构，采用气体介质代替固体质量块作为敏感载体，利用旋转角运动引起的科里奥力使气体热流发生偏转，结构中一对或多对对称设置的热敏感元件所感应到的温度产生差异，通过感测一对热敏元件上的温度差值来检测结构所具有的旋转角速度。由于所包含的气体介质的质量很小，避免了常规陀螺结构中固体质量块引入的惯性力的作用，其可靠性、抗冲击能力及寿命均比常规结构的陀螺要高。

热对流原理首先应用在微机械加速度计结构中（Convective accelerometer andinclinometer, US Patent 5581034, 1996；Micro-machined accelerometer with noproof mass, in Technical Digest of International Electron Device Meeting, pp.899–902,1997；Study on linearity of a micro-machined convective accelerometer,Microelectronic Engineering, 65:87–101, 2001），Zhu等将其应用进一步拓展到微机械陀螺中（Micro-machined gas inertial sensor based on convection heat transfer，Sensors and Actuators A, 130–131:68–74，2006），其主要结构包括一个刻蚀在衬底上的微腔，一个悬置在微腔中部的加热器，四个对称悬置在加热器两侧的热敏电阻。其主要原理是当不存在角运动时，微腔内因对称的气体热流而呈现对称的温度分布，而当对结构施加旋转角速度时，微腔中的气体因科里奥力的作用形成非对称热流，在各个热敏电阻之间产生与所施加的旋转角速度的大小成正比的温度差。

现有基于热对流原理的微陀螺结构大多采用温差感测的方法，其温度感测元件为惠斯通电桥形式的热敏电阻或热电堆等，检测电路简单，但输出的感测量为电阻、电压或电流等模拟量，分辨率不高，精度低，不便于进行进一步的数字化处理。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对上述现有存在的问题，提供一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构。

本实用新型的目的是这样实现的，一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：包括基板、顶面绝缘层、底面绝缘层、加热器，顶面绝缘层、底面绝缘层分别设置在基板上的上表面和下表面，加热器设置在基板的中部；所述基板四角顶面绝缘层上设有4组声表面波谐振器；所述底面绝缘层上设有输入信号电极、输出信号电极、接地电极；基板为正方形基板，基板的顶面绝缘层四边设有封接区，基板封接有封帽，封帽封接在基板的封接区上；

所述加热器包括圆形加热板、加热电极、加热地电极、中心电极、环形电极；所述圆形加热板设置于基板顶面正中且嵌入顶面绝缘层内，加热电极、加热地电极设置于底面绝缘层上，中心电极、环形电极贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层，圆形加热板通过中心电极、环形电极与加热电极、加热地电极相连；所述环形电极环绕中心电极，中心电极、环形电极之间由包含第一绝缘层、基板、第二绝缘层的复合隔离层隔离；所述环形电极和基板侧壁之间由第三绝缘层隔离；第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的两端分别与基板上的顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

每组声表面波谐振器包含相互垂直设置的2个声表面波谐振器，4组共8个声表面波谐振器均具有相同的谐振频率；

所述声表面波谐振器包括1个叉指换能器、分置于叉指换能器两侧的2个反射器和压电薄膜块，所述叉指换能器包括叉指阵列及其两端的输入汇流电极、输出汇流电极，所述反射器包括短路反射指阵列及其两端的接地汇流电极，所述压电薄膜块制作在顶面绝缘层上，所述叉指阵列和短路反射指阵列制作在压电薄膜块上，所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极制作在压电薄膜块两侧的顶面绝缘层上；所述基板上设有贯穿基板、顶面绝缘层、底面绝缘层的金属过孔；输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极分别通过贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的金属过孔与基板底面的输入信号电极、输出信号电极和接地电极相连，金属过孔与基板侧壁之间由过孔绝缘层隔离，所述过孔绝缘层的两端分别与基板顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述封帽为外方内方截面的半中空结构，基板顶面绝缘层的四边覆盖金属层形成封接区，所述封接区与封帽下端面同形，所述封帽的下端面与基板顶面四边的封接区键合，形成一个正方形截面的立体封闭微腔。

所述基板的材料为硅单晶，顶面绝缘层、底面绝缘层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层、过孔绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化硅。

所述圆形加热板的材料为多晶硅。

所述中心电极、环形电极、加热电极和加热地电极的材料为铜。

所述封帽的材料为硅。

所述封接区的材料为金。

所述压电薄膜块的材料为氧化锌、或者氮化铝。

所述声表面波谐振器的叉指换能器和反射器的材料为铝、铝铜合金、铜、或者金。

所述输入信号电极、输出信号电极、接地电极的材料为铜。

本实用新型结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本实用新型，一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，包括正方形基板，制作在基板上下表面的顶面绝缘层和底面绝缘层，制作在基板中部的加热器，制作在基板四角顶面绝缘层上的4组声表面波谐振器，制作在基板底面绝缘层上的输入信号电极、输出信号电极、接地电极，制作在基板顶面绝缘层四边的封接区，封接在基板顶面上的封帽；

所述加热器包括制作于基板顶面正中且嵌入基板顶面绝缘层内的圆形加热板、制作于基板底面绝缘层上的加热电极和加热地电极、贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的中心电极和环形电极，圆形加热板通过中心电极和环形电极与加热电极和加热地电极相连，所述环形电极环绕中心电极，其间由包含第一绝缘层、基板层、第二绝缘层的复合隔离层隔离，所述环形电极和基板侧壁之间由第三绝缘层隔离，所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的两端分别与基板的顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述1组声表面波谐振器包含相互垂直设置的2个声表面波谐振器，所述4组共8个声表面波谐振器均具有相同的谐振频率；

所述声表面波谐振器包括1个叉指换能器、分置于叉指换能器两侧的2个反射器和压电薄膜块，所述叉指换能器包括叉指阵列及其两端的输入汇流电极、输出汇流电极，所述反射器包括短路反射指阵列及其两端的接地汇流电极，所述压电薄膜块制作在基板顶面绝缘层上，所述叉指阵列和短路反射指阵列制作在压电薄膜块上，所述输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极制作在压电薄膜块两侧的基板顶面绝缘层上，输入汇流电极、输出汇流电极和接地汇流电极分别通过贯穿基板和顶面绝缘层、底面绝缘层的金属过孔与基板底面的输入信号电极、输出信号电极和接地电极相连，金属过孔与基板侧壁之间由过孔绝缘层隔离，所述过孔绝缘层的两端分别与基板顶面绝缘层和底面绝缘层相接；

所述封帽为外方内方截面的半中空结构，所述基板顶面绝缘层的四边覆盖金属层形成封接区，所述封接区与封帽下端面同形，所述封帽的下端面与基板顶面四边的封接区键合，形成一个正方形截面的立体封闭微腔；

所述基板的材料为硅单晶，所述顶面绝缘层、底面绝缘层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层、过孔绝缘层的材料为二氧化硅或者氮化硅，所述圆形加热板的材料为多晶硅，所述中心电极、环形电极、加热电极和加热地电极的材料为铜，所述封帽的材料为硅，所述封接区的材料为金；

所述压电薄膜块的材料为氧化锌、或者氮化铝，所述声表面波谐振器的叉指换能器和反射器的材料为铝、或者铝铜合金、或者铜、或者金，所述输入信号电极、输出信号电极、接地电极的材料为铜。

利用上述声表面波谐振器型热对流式陀螺结构进行角运动感测的原理和方法为：

通过加热电极和加热地电极给加热器通电使圆形加热盘发热，结合硅质封帽的导热作用，在封闭微腔内形成中心对称的热流；

当未对结构施加旋转角速度时，封闭微腔内因对称热流的作用，保持中心对称的温度梯度分布，封闭微腔中分置于基板顶面四角的4组声表面波谐振器中的各个声表面波谐振器感应到相同的温度，输出相同频率的谐振信号；

当对结构施加旋转角速度时，封闭微腔内的气体热流受科里奥力的作用产生与所施加角运动方向相反的偏转，微腔内呈现非对称的温度梯度分布，相邻两个角上的两组声表面波谐振器感应到不同的温度，且同组的两个声表面波谐振器也感应到不同的温度，各个声表面波谐振器输出不同频率的谐振信号，各个声表面波谐振器输出谐振信号的谐振频率差值正比于所施加的旋转角速度的大小；

通过基板底面的输入信号电极、输出信号电极、接地电极将各个声表面波谐振器与外部放大器、移相器和频率检测仪器相连构成相应的振荡电路；

测量对应于各个声表面波谐振器的各个振荡电路输出振荡信号的频率，依据对应于相邻组中相同位置的声表面波谐振器对应的输出振荡信号频率的差值及其符号，可确定施加于结构上的旋转角速度的大小和方向，进一步的，依据对应于同组两个声表面波谐振器的输出信号频率的差值，可得到施加于结构上的旋转角速度的精确值。

进一步的，依据对角的两组声表面波谐振器对应的输出信号频率的差值及其符号，可确定施加于结构上的离面角速度的大小和方向，实现双轴角运动感测。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）采用声表面波谐振器作为温度传感元件，输出量为准数字的谐振频率或振荡频率，分辨率高、测量精度高，便于对测量结果作进一步的数字化处理；

（2）采用硅单晶基板，便于与信号处理电路集成；

（3）采用常规的微机械加工工艺，并采用正方形基板和正方形封帽结构，便于采用圆片级封装技术，适合于批量化生产。

附图说明

图1是本实用新型中基板顶面结构示意图；

图2是本实用新型中基板底面结构示意图；

图3是本实用新型中声表面波谐振器结构示意图；

图4是本实用新型中基板上声表面波谐振器所在区域的结构剖视图；

图5是本实用新型中加热器结构示意图；

图6是本实用新型中基板上加热器所在区域的结构剖视图；

图7是本实用新型封装后结构剖视图。

图中：1基板、2加热器、3声表面波谐振器、4封帽、11顶面绝缘层、12底面绝缘层、13封接区、21圆形加热板、22中心电极、23环形电极、24加热电极、25加热地电极、28第三绝缘层、31叉指换能器、32反射器、33压电薄膜块、34金属过孔、35输入信号电极、36输出信号电极、37接地电极、41封闭微腔、311叉指阵列、312输入汇流电极、321短路反射指阵列、322接地汇流电极。

具体实施方式

以下结合附图以及附图说明对本实用新型作进一步的说明。

一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：包括基板1、顶面绝缘层11、底面绝缘层12、加热器2，顶面绝缘层11、底面绝缘层12分别设置在基板1上的上表面和下表面，加热器2设置在基板1的中部；在基板1四角顶面绝缘层11上设置有4组声表面波谐振器3；所述底面绝缘层12上设有输入信号电极35、输出信号电极36、接地电极37；基板1为正方形基板1，基板1的顶面绝缘层11四边设有封接区13，基板1封接有封帽4，封帽4封接在基板1的封接区13上。

所述加热器2包括圆形加热板21、加热电极24、加热地电极25、中心电极22、环形电极23；所述圆形加热板21设置于基板1顶面正中且嵌入顶面绝缘层11内，加热电极24、加热地电极25设置于底面绝缘层12上，中心电极22、环形电极23贯穿基板1和顶面绝缘层11、底面绝缘层12，圆形加热板21通过中心电极22、环形电极23与加热电极24、加热地电极25相连；所述环形电极23环绕中心电极22，中心电极22、环形电极23之间由包含第一绝缘层26、基板1、第二绝缘层27的复合隔离层隔离；环形电极23和基板1侧壁之间由第三绝缘层28隔离；第一绝缘层26、第二绝缘层27、第三绝缘层28的两端分别与基板1上的顶面绝缘层11和底面绝缘层12相接。

每组声表面波谐振器包含相互垂直设置的2个声表面波谐振器3，4组共8个声表面波谐振器3均具有相同的谐振频率。

声表面波谐振器3包括1个叉指换能器31、分置于叉指换能器31两侧的2个反射器32和压电薄膜块33，所述叉指换能器31包括叉指阵列311及其两端的输入汇流电极312、输出汇流电极313，所述反射器32包括短路反射指阵列321及其两端的接地汇流电极322，所述压电薄膜块33制作在顶面绝缘层11上，所述叉指阵列311和短路反射指阵列321制作在压电薄膜块33上，输入汇流电极312、输出汇流电极313和接地汇流电极322制作在压电薄膜块33两侧的顶面绝缘层11上；所述基板1上设有贯穿基板1、顶面绝缘层11、底面绝缘层12的金属过孔34；输入汇流电极312、输出汇流电极313和接地汇流电极322分别通过贯穿基板1和顶面绝缘层11、底面绝缘层12的金属过孔34与基板1底面的输入信号电极35、输出信号电极36和接地电极37相连，金属过孔34与基板1侧壁之间由过孔绝缘层341隔离，所述过孔绝缘层341的两端分别与基板1顶面绝缘层11和底面绝缘层12相接；

所述封帽4为外方内方截面的半中空结构，基板1顶面绝缘层11的四边覆盖金属层形成封接区13，所述封接区13与封帽4下端面同形，所述封帽4的下端面与基板1顶面四边的封接区14键合，形成一个正方形截面的立体封闭微腔41。

进一步的，基板1的材料为硅单晶，顶面绝缘层11、底面绝缘层12、第一绝缘层26、第二绝缘层27、第三绝缘层28、过孔绝缘层341的材料为二氧化硅或者氮化硅。圆形加热板21的材料为多晶硅。中心电极22、环形电极23、加热电极24和加热地电极25的材料为铜。所述封帽4的材料为硅。所述封接区13的材料为金。所述压电薄膜块3材料为氧化锌、或者氮化铝。所述声表面波谐振器3的叉指换能器31和反射器32的材料为铝、铝铜合金、铜、或者金。所述输入信号电极35、输出信号电极36、接地电极37的材料为铜。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，包括正方形硅单晶基板，覆盖在基板顶面和底面的二氧化硅绝缘层，制作在基板中部的加热器，制作在基板顶面绝缘层上且对称分布在基板四角的4组声表面波谐振器，每组声表面波谐振器均包含相互垂直设置的2个声表面波谐振器，各个声表面波谐振器具有相同的谐振频率，制作在基板底面绝缘层上的铜质输入信号电极、输出信号电极、接地电极、加热电极、加热地电极，制作在基板上连接各个声表面波谐振器的输入汇流电极、输出汇流电极、接地汇流电极与基板底面的输入信号电极、输出信号电极、接地电极的铜质金属过孔，封接在基板顶面的硅质封帽，内含正方体形凹槽的硅质封帽与基板顶面四边的金质封接区共熔键合形成一个正方体形的封闭微腔。

Claims (9)

1.一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：包括基板（1）、顶面绝缘层（11）、底面绝缘层（12）、加热器（2），顶面绝缘层（11）、底面绝缘层（12）分别设置在基板（1）的上表面和下表面，加热器（2）设置在基板（1）的中部；所述基板（1）四角顶面绝缘层（11）上设有4组声表面波谐振器（3）；所述底面绝缘层（12）上设有输入信号电极（35）、输出信号电极（36）、接地电极（37）；基板（1）为正方形基板（1），基板（1）的顶面绝缘层（11）四边设有封接区（13），基板（1）封接有封帽（4），封帽（4）封接在基板（1）的封接区（13）上；

所述加热器（2）包括圆形加热板（21）、加热电极（24）、加热地电极（25）、中心电极（22）、环形电极（23）；所述圆形加热板（21）设置于基板（1）顶面正中且嵌入顶面绝缘层（11）内，加热电极（24）、加热地电极（25）设置于底面绝缘层（12）上，中心电极（22）、环形电极（23）贯穿基板（1）和顶面绝缘层（11）、底面绝缘层（12），圆形加热板（21）通过中心电极（22）、环形电极（23）与加热电极（24）、加热地电极（25）相连；所述环形电极（23）环绕中心电极（22），中心电极（22）、环形电极（23）之间由包含第一绝缘层（26）、基板（1）、第二绝缘层（27）的复合隔离层隔离；所述环形电极（23）和基板（1）侧壁之间由第三绝缘层（28）隔离；第一绝缘层（26）、第二绝缘层（27）、第三绝缘层（28）的两端分别与基板（1）上的顶面绝缘层（11）和底面绝缘层（12）相接；

每组声表面波谐振器包含相互垂直设置的2个声表面波谐振器（3），4组共8个声表面波谐振器（3）均具有相同的谐振频率；

所述声表面波谐振器（3）包括1个叉指换能器（31）、分置于叉指换能器（31）两侧的2个反射器（32）和压电薄膜块（33），所述叉指换能器（31）包括叉指阵列（311）及其两端的输入汇流电极（312）、输出汇流电极（313），所述反射器（32）包括短路反射指阵列（321）及其两端的接地汇流电极（322），所述压电薄膜块（33）制作在顶面绝缘层（11）上，所述叉指阵列（311）和短路反射指阵列（321）制作在压电薄膜块（33）上，所述输入汇流电极（312）、输出汇流电极（313）和接地汇流电极（322）制作在压电薄膜块（33）两侧的顶面绝缘层（11）上；所述基板（1）上设有贯穿基板（1）、顶面绝缘层（11）、底面绝缘层（12）的金属过孔（34）；输入汇流电极（312）、输出汇流电极（313）和接地汇流电极（322）分别通过贯穿基板（1）和顶面绝缘层（11）、底面绝缘层（12）的金属过孔（34）与基板（1）底面的输入信号电极（35）、输出信号电极（36）和接地电极（37）相连，金属过孔（34）与基板（1）侧壁之间由过孔绝缘层（341）隔离，所述过孔绝缘层（341）的两端分别与基板（1）顶面绝缘层（11）和底面绝缘层（12）相接；

所述封帽（4）为外方内方截面的半中空结构，基板（1）顶面绝缘层（11）的四边覆盖金属层形成封接区（13），所述封接区（13）与封帽（4）下端面同形，所述封帽（4）的下端面与基板（1）顶面四边的封接区（14）键合，形成一个正方形截面的立体封闭微腔（41）。

2.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述基板（1）的材料为硅单晶，顶面绝缘层（11）、底面绝缘层（12）、第一绝缘层（26）、第二绝缘层（27）、第三绝缘层（28）、过孔绝缘层（341）的材料为二氧化硅或者氮化硅。

3.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述圆形加热板（21）的材料为多晶硅。

4.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述中心电极（22）、环形电极（23）、加热电极（24）和加热地电极（25）的材料为铜。

5.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述封帽（4）的材料为硅。

6.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述封接区（13）的材料为金。

7.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述压电薄膜块（33）的材料为氧化锌、或者氮化铝。

8.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述声表面波谐振器（3）的叉指换能器（31）和反射器（32）的材料为铝、铝铜合金、铜、或者金。

9.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型热对流式陀螺结构，其特征是：所述输入信号电极（35）、输出信号电极（36）、接地电极（37）的材料为铜。