双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺及其加工方法，该z轴薄膜陀螺包括敏感层和盖板，敏感层的上表面设置有四对加热器和四对热敏电阻；加热器的通电方式为周期式推挽式通电；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。本发明专利技术继承了微型热流陀螺无固体敏感质量块，抗振动和冲击等优点。本发明专利技术采用双电桥式十字型推挽流，较其他工作原理的微型惯性传感器，其特点八个热敏电阻分别构成两个完全相同的等臂电桥，且陀螺的最后输出由双电桥不平衡电压取和后平均输出，误差小，精度高，灵敏度是单一工作臂的四倍，误差小，精度高；提取电路为等臂电桥，其非线性度更小。小。小。

Micromachined z-axis thin film gyroscope with double electric bridge cross push-pull flow and its machining method

【技术实现步骤摘要】
双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺及其加工方法


[0001]本专利技术涉及利用哥氏力偏转热流敏感体检测运动体角速度姿态参数的
，尤其是涉及一种双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺及其加工方法，属于惯性测量领域。

技术介绍

[0002]利用微机电系统MEMS(Micro
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Electro
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Mechanical
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System)技术制作的微型惯性传感器有大批量生产、成本低、体积小、功耗低等诸多优点，是未来中、低精度微型惯性传感器的理想产品。陀螺、加速度计是载体运动姿态测量和控制的核心惯性传感器，而陀螺是敏感角速度、角加速度等角参数的传感器。传统的微型陀螺(微机械陀螺)是基于高频振动质量被基座带动旋转时存在的哥氏效应原理，微电子和微机械结合的微型化速率陀螺。这种陀螺敏感元件内的固体质量块需要通过机械弹性体悬挂并振动，在稍高加速冲击下容易损坏，同时为了减少阻尼需要真空封装，其工艺复杂，长时间工作时会产生疲劳损坏和振动噪声。而微型流体惯性器件是一种新型的通过检测密闭腔体内流体的流场偏移量，实现输入加速度和角速度的测量。由于其没有传统的微型陀螺中的可动部件和悬挂系统，所以能抗高过载；由于其敏感质量为气体，质量几乎为零，所以响应时间短、寿命长；由于其结构简单，能满足低成本的应用要求。微型流体陀螺是利用密闭腔体内气流敏感体在哥氏力作用下发生偏转，由热敏电阻(热线)来敏感角速度引起偏转量的角速度传感器。目前，市场对微型惯陀螺适应恶劣苛刻的环境能力要求越来越高，与传统的微机械振动陀螺相比，微型流体陀螺以其极高的抗振动、冲击特性和低成本等优势，更具市场竞争力，应用前景十分广阔。
[0003]目前基于MEMS技术的微型流体陀螺大致可以分为四类大类：微型射流陀螺，ECF(electro
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conjugate fluid)流体陀螺、微型热对流陀螺和微型热流陀螺。中国专利一种微型四通道循环流式三轴硅射流陀螺(专利申请号：201510385582.4)，属于微型射流陀螺，其敏感元件内的压电片增加了加工难度和成本，且在保持流速的前提下其体积难以进一步缩小。ECF流体陀螺的体积较大(40mm
×
60mm
×
7mm)，且液体形成喷射流需高达上千伏的电压，故而ECF陀螺很难实现大批量、低成本的商业化。微型热对流陀螺无重力场就无法工作，灵敏度低。上述微型流体陀螺因其各自固有的缺点使其难以成为低成本商业化微型陀螺的选择。微型热流陀螺(也称热膨胀陀螺)是近几年提出的一种比较新的微型流体陀螺，敏感元件内无压电片，不需要高电压，可以在无重力环境下使用，它的灵敏度适中，介于微型射流陀螺和微型热对流式陀螺之间，同时它具有结构和加工工艺非常简单，成本极低，可靠性高，优秀的抗振动和冲击特性，使得其与电容式微机械振动陀螺竞争中、低精度、低价格的微型陀螺市场成为可能。
[0004]微型热流陀螺的敏感工作原理是利用加热器通电产生热量，加热其周围的气体，形成气体热扩散，产生沿着一定方向运动的气流敏感体，当有角速度输入时，气流敏感体在哥氏力作用下发生偏转，造成惠斯登电桥的桥臂电阻(一般由热敏电阻组成)的改变，从而
输出与输入角速度成正比的电桥不平衡电压。在中国专利201410140298.6和201210130318.2中传感器敏感元件内的主要部件
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加热器和热敏电阻均采用悬空悬臂梁结构，首先由于加热器和热敏电阻均悬浮于腔体上方，刻蚀腔体释放结构后，应力会造成加热器和热敏电阻变形，甚至断裂，成品率低，而且翘曲变形会在无角速度输入情况下产生不对称的气体流场，从而造成角速度检测误差。其次，提取电路和传感器的敏感元件芯片是分立的，提取电路需要额外制作，没有和敏感元件集成在一个芯片上，所以集成度不高，传感器体积大。第三，这种分立器件中四臂电桥中的电阻如果不在同一温度场中，各个电阻的温度系数有差异，很容易造成温度漂移，影响传感器的精度，从而限制了它的应用领域。因此，如何克服上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺及其加工方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺，包括敏感层和盖板，其中，
[0008]所述敏感层的上表面设置有四对加热器和四对热敏电阻；
[0009]定义所述上表面敏感层的宽度方向为X方向，长度方向为Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均为与X或Y方向平行或者垂直，用于检测Z轴的角速度；
[0010]四对加热器中的两对放置在X轴方向上，且与X轴垂直；另外两对放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；
[0011]四对热敏电阻中的两对放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；另外两对放置在X轴方向上，且与X轴垂直；
[0012]四对加热器的通电方式为周期式推挽式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；
[0013]所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。
[0014]作为一种进一步的技术方案，每对所述加热器均由两个相同频率的方波信号驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50％。
[0015]作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面至所述盖板上凹槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为200μm至1000μm。
[0016]作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为15μm至20μm。
[0017]作为一种进一步的技术方案，所述加热器和所述热敏电阻的长度一致，均为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
[0018]作为一种进一步的技术方案，所述加热器均是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成。
[0019]作为一种进一步的技术方案，所述热敏电阻均是由n型重掺杂GaAs材料电阻线构成。
[0020]采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：
[0021]1.这种陀螺继承了微型热流陀螺无固体敏感质量块，抗振动和冲击等优点，该陀螺的敏感元件中无悬臂梁结构，工艺简单，敏感元件成品率高，成本低。
[0022]2.这种薄膜式微机械热流陀螺中的敏感元件中提取电路中的四臂电桥均在一个芯片上实现，同一结构，同一工艺制作，使得电桥的桥臂电阻的电阻离散程度小，非常容易制作温度系数相同的电阻，而且电桥的各个桥臂均同在一个温度场中，不会造成因温度系数和温度梯度不同导致的温度漂移。
[0023]3.本专利技术采用双电桥式结构，其中八个热敏电阻分别构成两个完全相同的等臂电桥，每个电桥的四个桥臂作为工作臂均参与敏感热气流的偏转，陀螺灵敏度是单一工作臂的四倍，大大提高了陀螺灵敏度。
[0024]4.本专利技术中提取电路为等臂电桥，等臂电桥桥臂电阻变化和电桥输出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺，其特征在于，包括敏感层和盖板，其中，所述敏感层的上表面设置有四对加热器和四对热敏电阻；定义所述上表面敏感层的宽度方向为X方向，长度方向为Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均为与X或Y方向平行或者垂直，用于检测Z轴的角速度；四对加热器中的两对放置在X轴方向上，且与X轴垂直；另外两对放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；四对热敏电阻中的两对放置在Y轴方向上，且与Y轴垂直；另外两对放置在X轴方向上，且与X轴垂直；加热器的通电方式为周期式推挽式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。2.根据权利要求1所述的双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺，其特征在于，每对所述加热器均由两个相同频率的方波信号驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50％。3.根据权利要求1所述的双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述敏感层上表面至所述盖板上凹槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为200μm至1000μm。4.根据权利要求1所述的双电桥式十字型推挽流微机械z轴薄膜陀螺，其特征在于，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为15μm至20μm。5.根据权利要求1所述的双电桥...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴林华，李备，王灯山，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：