專利名稱：可測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)明涉及一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的陀螺儀，具體是一種可測量任意方向角 速度的氣體陀螺儀。
背景技術(shù)：
從上世紀末開始，基于熱對流原理的微陀螺儀受到廣泛重視，它利用角速 度引起的哥氏力導致工作射流偏轉(zhuǎn)，使其與一對或多對對稱布置的熱敏器件對 流傳熱存在差異，通過檢測熱敏器件溫差來獲得角速度信息。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(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。 一旦有角速度信號的輸入， 原來從熱電阻絲對稱中心通過的射流束就會向某一方向偏離，造成對兩熱電阻 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應(yīng)的電壓。這種裝置的缺點是(1)只能測量以某一固 定軸為轉(zhuǎn)軸的角速度，不能測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)明針對現(xiàn)有的技術(shù)的不足，提供一種可測量任意方向角速度的氣體陀 螺儀，該陀螺儀采用MEMS體硅工藝實現(xiàn)，降低了成本的同時，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)明是通過以下技術(shù)方案實現(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)成一個密封結(jié)構(gòu)， 該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿惰性氣體，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)成一個封閉的氣流回路，氣流回路中充滿惰性氣體；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。 所述的電阻絲通過引線與外設(shè)的電阻組成惠斯通電橋，用以測量金屬電阻 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。
當硅芯片上的氣流通道內(nèi)氣流從泵中噴出時，沿著主腔室兩側(cè)的氣流通道 從右向左流動，到達主腔室左邊后，經(jīng)過副噴嘴時氣流方向改變，朝主腔室的 入口主噴嘴流去，途中會流經(jīng)通道上方的一對電阻絲，這對電阻絲用來測量以Z 軸為旋轉(zhuǎn)軸的角速度；氣流從主噴嘴進入主腔室中，會經(jīng)過兩對金屬電阻絲， 其中與氣流方向垂直放置的電阻絲用來測量以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測量以X軸為旋轉(zhuǎn)軸的角速度。
本發(fā)明每次測量角速度之前，首先給惠斯通電橋上的三對電阻絲通電電阻 絲通電后溫度升高，打開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，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，到達陀螺儀另一端的兩個副噴嘴，氣流改變方向噴向主噴嘴，進入 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。
途中氬氣會均勻噴過三對電阻絲，氬氣氣流對三對電阻絲的冷卻效果相同， 每對電阻絲溫度及電阻相同，惠斯通電橋平衡。當外界對陀螺儀施加角速度時， 陀螺儀中的氣流在主腔室中的流動方向會受到哥氏加速度的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 例如，當外界角速度的旋轉(zhuǎn)軸為X軸時，氣流從壓電泵流出，并在主腔室兩側(cè) 以及左邊流過，進入主腔室后，氣流方向改變?yōu)閺淖笙蛴伊鲃?，這時由于受到
4哥氏加速度作用，氣流會偏向一側(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 一對電阻絲與外部電阻構(gòu)成的惠斯通電橋不在平衡，通過測量電橋的輸出電壓 即可計算出電阻變化量，從而得到外界的旋轉(zhuǎn)軸為X軸的角速度，另外兩個軸 向的角速度測量方法與上面所述的X軸向角速度測量過程類似，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，從而可以測量各個 方向的角速度，擴大了測量范圍；同時，由于采用體硅工藝制作，在降低成本
的同時，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。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖給本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的 保護范圍不限于下述的實施例。
如圖l、 2所示，密封的長方體陀螺儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)為15X20X0. 3mm3(LXW XT)。本實施例包括硅芯片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)成一個密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿惰性氣體， 壓電泵4固設(shè)在硅芯片1內(nèi)部空腔中。
本實施例所述的硅芯片，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密封之前需充滿氬氣。
本實施例在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，并用剝離工藝對鉑層進行圖形 化，同時對硅片背面的二氧化硅層進行光刻。對下TBN層3進行圖形化，并且 與硅片的背面進行鍵合。采用ICP-DRIE工藝對硅片進行刻蝕，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溫度也達到穩(wěn)定后，測出無角速度時的輸出電壓。
當外界有角速度時，陀螺儀中氣流會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流過發(fā)熱的第一、二、三
熱敏電阻絲ll、 12、 13的氣流大小也會不同，這樣氣流對第一、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，與其配成一對的另一個
電阻絲就會冷卻慢，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，輸出電壓會發(fā)生變化，待輸出電壓穩(wěn)定后，測出此時的輸出
電壓?？赏ㄟ^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，進而得到每對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，最后計算出外加角速度的大小以及方向。
權(quán)利要求
1、一種可測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)成一個密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿惰性氣體，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頻率為7KHz。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可測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)明是一種微機電技術(shù)領(lǐng)域可測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)成一個密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿惰性氣體，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，從而可以測量各個方向的角速度，擴大了測量范圍；同時，由于采用體硅工藝制作，在降低成本的同時，使得陀螺儀可以方便地集成在集成電路上。
文檔編號B81C99/00GK101556290SQ20091004987
公開日2009年10月14日 申請日期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 高 申請人:上海交通大學