專(zhuān)利名稱(chēng)：可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的陀螺儀，具體是一種可測(cè)量任意方向角 速度的氣體陀螺儀。
背景技術(shù)：
從上世紀(jì)末開(kāi)始，基于熱對(duì)流原理的微陀螺儀受到廣泛重視，它利用角速 度引起的哥氏力導(dǎo)致工作射流偏轉(zhuǎn)，使其與一對(duì)或多對(duì)對(duì)稱(chēng)布置的熱敏器件對(duì) 流傳熱存在差異，通過(guò)檢測(cè)熱敏器件溫差來(lái)獲得角速度信息。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，樸林華等人在《壓電與聲光》2005年6月 第27巻第3期上發(fā)表的"壓電射流角速度傳感器敏感機(jī)理的有限元分析"，該 文中提到一種基于熱流原理的氣體陀螺儀。具體結(jié)構(gòu)如下陀螺儀包含兩個(gè)主 要部件， 一部分是壓電泵，可以產(chǎn)生在密封腔室中不斷循環(huán)的氣流。另一部分 是基于熱電阻絲的敏感部件，置于氣體噴嘴的下游。 一旦有角速度信號(hào)的輸入， 原來(lái)從熱電阻絲對(duì)稱(chēng)中心通過(guò)的射流束就會(huì)向某一方向偏離，造成對(duì)兩熱電阻 絲不同的冷卻，熱電阻絲的阻值發(fā)生改變，引起電流改變，惠斯通電橋失衡， 從而輸出與角速度相對(duì)應(yīng)的電壓。這種裝置的缺點(diǎn)是(1)只能測(cè)量以某一固 定軸為轉(zhuǎn)軸的角速度，不能測(cè)量任意方向的角速度，限制了陀螺儀的應(yīng)用范圍； (2)另外，該傳感器的部件需要使用傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)裝配，不能完全集成于MEMS 工藝之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)的不足，提供一種可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀 螺儀，該陀螺儀采用MEMS體硅工藝實(shí)現(xiàn)，降低了成本的同時(shí)，由于是平面結(jié)構(gòu)， 使陀螺儀可以集成在集成電路板上。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括硅芯片、壓電泵和上TBN (氮化鋱)層、下TBN層。硅芯片為立體空腔結(jié)構(gòu)，壓電泵采用壓電陶瓷(PZT)
3泵，上TBN層、下TBN層分別封設(shè)在硅芯片的上下表面，構(gòu)成一個(gè)密封結(jié)構(gòu)， 該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿(mǎn)惰性氣體，壓電泵固設(shè)在硅芯片內(nèi)部空腔中。
所述的硅芯片，其上設(shè)置有氣流通道、主腔室、用于放置壓電泵的壓電泵 腔室，共同構(gòu)成一個(gè)封閉的氣流回路，氣流回路中充滿(mǎn)惰性氣體；圓形壓電泵 腔室置于硅芯片的一邊，方形主腔室置于硅芯片的另一邊，四周都有氣流通道。
所述的硅芯片通過(guò)螺絲固定在集成電路板上。
所述的惰性氣體為氬氣。
所述的氣流通道上方設(shè)置電阻絲，電阻絲垂直與氣流方向放置。 所述的電阻絲通過(guò)引線與外設(shè)的電阻組成惠斯通電橋，用以測(cè)量金屬電阻 絲由于溫度變化引起的電阻變化值。 所述的電阻絲由鉑制成。
當(dāng)硅芯片上的氣流通道內(nèi)氣流從泵中噴出時(shí)，沿著主腔室兩側(cè)的氣流通道 從右向左流動(dòng)，到達(dá)主腔室左邊后，經(jīng)過(guò)副噴嘴時(shí)氣流方向改變，朝主腔室的 入口主噴嘴流去，途中會(huì)流經(jīng)通道上方的一對(duì)電阻絲，這對(duì)電阻絲用來(lái)測(cè)量以Z 軸為旋轉(zhuǎn)軸的角速度；氣流從主噴嘴進(jìn)入主腔室中，會(huì)經(jīng)過(guò)兩對(duì)金屬電阻絲， 其中與氣流方向垂直放置的電阻絲用來(lái)測(cè)量以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸的角速度，與氣流 方向平行放置的電阻絲用來(lái)測(cè)量以X軸為旋轉(zhuǎn)軸的角速度。
本發(fā)明每次測(cè)量角速度之前，首先給惠斯通電橋上的三對(duì)電阻絲通電電阻 絲通電后溫度升高，打開(kāi)陀螺儀末端的壓電泵，使氬氣在陀螺儀中穩(wěn)定的循環(huán) 流動(dòng)，受到壓電泵的壓力作用，氬氣從壓電泵中噴出，沿著陀螺儀兩邊的氣流 通道流動(dòng)，到達(dá)陀螺儀另一端的兩個(gè)副噴嘴，氣流改變方向噴向主噴嘴，進(jìn)入 主腔室，最后返回泵中，完成一次循環(huán)。上TBN層、下TBN層起到密封陀螺儀 的目的。
途中氬氣會(huì)均勻噴過(guò)三對(duì)電阻絲，氬氣氣流對(duì)三對(duì)電阻絲的冷卻效果相同， 每對(duì)電阻絲溫度及電阻相同，惠斯通電橋平衡。當(dāng)外界對(duì)陀螺儀施加角速度時(shí)， 陀螺儀中的氣流在主腔室中的流動(dòng)方向會(huì)受到哥氏加速度的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 例如，當(dāng)外界角速度的旋轉(zhuǎn)軸為X軸時(shí)，氣流從壓電泵流出，并在主腔室兩側(cè) 以及左邊流過(guò)，進(jìn)入主腔室后，氣流方向改變?yōu)閺淖笙蛴伊鲃?dòng)，這時(shí)由于受到
4哥氏加速度作用，氣流會(huì)偏向一側(cè)，這一側(cè)的電阻絲由于流經(jīng)的氣流較大，電 阻下降幅度大，而另一側(cè)的電阻絲由于流經(jīng)的氣流較小，電阻下降幅度小，這 一對(duì)電阻絲與外部電阻構(gòu)成的惠斯通電橋不在平衡，通過(guò)測(cè)量電橋的輸出電壓 即可計(jì)算出電阻變化量，從而得到外界的旋轉(zhuǎn)軸為X軸的角速度，另外兩個(gè)軸 向的角速度測(cè)量方法與上面所述的X軸向角速度測(cè)量過(guò)程類(lèi)似，在此不在贅述。 TBN要比使用現(xiàn)有技術(shù)中的聚甲基丙烯酸甲酯材料便宜很多，可以降低陀 螺儀的成本。
本發(fā)明具有如下有益效果增加了熱敏電阻絲的數(shù)量，從而可以測(cè)量各個(gè) 方向的角速度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍；同時(shí)，由于采用體硅工藝制作，在降低成本
的同時(shí)，使得陀螺儀可以方便地集成在集成電路上。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)三維示意圖； 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖給本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖l、 2所示，密封的長(zhǎng)方體陀螺儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)為15X20X0. 3mm3(LXW XT)。本實(shí)施例包括硅芯片l、上TBN層2、下TBN層3和壓電泵4。硅芯片 l為立體空腔結(jié)構(gòu)，壓電泵4采用壓電陶瓷泵，上TBN層2、下TBN層3分別封 設(shè)在硅芯片1的上下表面，構(gòu)成一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿(mǎn)惰性氣體， 壓電泵4固設(shè)在硅芯片1內(nèi)部空腔中。
本實(shí)施例所述的硅芯片，其上設(shè)置有第一氣流通道16、第二氣流通道17、 主腔室18和壓電泵腔室19，共同構(gòu)成封閉的氣流回路。
所述的壓電泵4上設(shè)置噴嘴，噴嘴包括副噴嘴14和主噴嘴15，硅芯片上 的主腔室18 —側(cè)設(shè)置副噴嘴14，硅芯片上的主腔室18另一側(cè)入口設(shè)置主噴嘴 15。
所述的壓電泵腔室19，其圓形壓電泵腔室置于硅芯片1的一邊，其方形主
5腔室置于硅芯片1的另一邊。
所述的氣流通道上方設(shè)置第一、二、三鉑材料的熱敏電阻絲ll、 12、 13， 第一、二、三熱敏電阻絲ll、 12、 13垂直與氣流方向放置。
壓電泵4的振動(dòng)頻率為7KHz。
第一、二、三熱敏電阻絲ll、 12、 13電阻溫度系數(shù)為0.00374/°C。第一、 二、三熱敏電阻絲11、 12、 13結(jié)構(gòu)參數(shù)為1000X40X0. 3um3(LXWXT)。在 用上TBN層2、下TBN層3密封之前需充滿(mǎn)氬氣。
本實(shí)施例在300um厚的硅片正反面沉積二氧化硅層，作為絕緣層。再在正 面的二氧化硅層上沉積一層0. 3 y m厚的金屬鉑，并用剝離工藝對(duì)鉑層進(jìn)行圖形 化，同時(shí)對(duì)硅片背面的二氧化硅層進(jìn)行光刻。對(duì)下TBN層3進(jìn)行圖形化，并且 與硅片的背面進(jìn)行鍵合。采用ICP-DRIE工藝對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕，形成第一、二、 三熱敏電阻絲11、 12、 13結(jié)構(gòu)和第一氣流通道16、第二氣流通道17。最后， 在下TBN層3的槽中安裝PZT壓電泵4，并用另一個(gè)上TBN層2密封制作好的 硅芯片1TBN要比傳統(tǒng)材料，如聚甲基丙烯酸甲酯便宜很多，可以降低陀螺儀的 成本。
打開(kāi)壓電泵4和電路，工作十分鐘左右，待陀螺儀中氬氣循環(huán)穩(wěn)定，并且
通電的熱敏電阻絲l溫度也達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)出無(wú)角速度時(shí)的輸出電壓。
當(dāng)外界有角速度時(shí)，陀螺儀中氣流會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流過(guò)發(fā)熱的第一、二、三
熱敏電阻絲ll、 12、 13的氣流大小也會(huì)不同，這樣氣流對(duì)第一、二、三熱敏電
阻絲ll、 12、 13的冷卻效果不同，有的電阻絲冷卻快，與其配成一對(duì)的另一個(gè)
電阻絲就會(huì)冷卻慢，第一、二、三熱敏電阻絲ll、 12、 13的電阻不再相同，惠
斯通電橋不平衡，輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，待輸出電壓穩(wěn)定后，測(cè)出此時(shí)的輸出
電壓?？赏ㄟ^(guò)輸出電壓的變化得知第一、二、三熱敏電阻絲ll、 12、 13電阻的
變化，進(jìn)而得到每對(duì)熱敏電阻絲的溫度變化，從而得出氣流的偏移量以及偏移
方向，最后計(jì)算出外加角速度的大小以及方向。
權(quán)利要求
1、一種可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其特征在于，包括硅芯片、壓電泵和上TBN層、下TBN層，硅芯片為立體空腔結(jié)構(gòu)，壓電泵采用壓電陶瓷泵，上TBN層、下TBN層分別封設(shè)在硅芯片的上下表面，構(gòu)成一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿(mǎn)惰性氣體，壓電泵固設(shè)在硅芯片內(nèi)部空腔中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其特征是， 所述的硅芯片，其上設(shè)置有第一氣流通道、第二氣流通道、主腔室和壓電泵腔 室，共同構(gòu)成封閉的氣流回路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其特征是， 所述的壓電泵上設(shè)置噴嘴，噴嘴包括副噴嘴和主噴嘴，硅芯片上的主腔室一 側(cè)設(shè)置副噴嘴，硅芯片上的主腔室另一側(cè)入口設(shè)置主噴嘴。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其特征是， 所述的所述的壓電泵腔室，其圓形壓電泵腔室置于硅芯片的一邊，其方形主腔 室置于硅芯片的另一邊。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其 特征是，所述的所述的氣流通道上方設(shè)置第一、二、三熱敏電阻絲，第一、二、 三熱敏電阻絲垂直與氣流方向放置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或者5所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其 特征是，所述的所述的第一、二、三熱敏電阻絲通過(guò)引線與外設(shè)的電阻組成惠 斯通電橋。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其 特征是，所述的壓電泵的振動(dòng)頻率為7KHz。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其特征是， 所述的第一、二、三熱敏電阻絲電阻溫度系數(shù)為0.00374AC;第一、二、三熱 敏電阻絲結(jié)構(gòu)參數(shù)為1000X40X0. 3 um3。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀，其特征是， 所述的第一、二、三熱敏電阻絲由鉑制成。
全文摘要
本發(fā)明是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域可測(cè)量任意方向角速度的氣體陀螺儀。包括硅芯片、壓電泵和上TBN層、下TBN層，硅芯片為立體空腔結(jié)構(gòu)，壓電泵采用壓電陶瓷泵，上TBN層、下TBN層分別封設(shè)在硅芯片的上下表面，構(gòu)成一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿(mǎn)惰性氣體，壓電泵固設(shè)在硅芯片內(nèi)部空腔中。本發(fā)明增加了熱敏電阻絲的數(shù)量，從而可以測(cè)量各個(gè)方向的角速度，擴(kuò)大了測(cè)量范圍；同時(shí)，由于采用體硅工藝制作，在降低成本的同時(shí)，使得陀螺儀可以方便地集成在集成電路上。
文檔編號(hào)B81C99/00GK101556290SQ20091004987
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者健 孫, 冠 張, 李以貴, 陳少軍, 陽(yáng) 高 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)