可测量任意方向角速度的气体陀螺仪

摘要

本发明是一种微机电技术领域可测量任意方向角速度的气体陀螺仪。包括：硅芯片、压电泵和上TBN层、下TBN层，硅芯片为立体空腔结构，压电泵采用压电陶瓷泵，上TBN层、下TBN层分别封设在硅芯片的上下表面，构成一个密封结构，该密封结构内充满惰性气体，压电泵固设在硅芯片内部空腔中。本发明增加了热敏电阻丝的数量，从而可以测量各个方向的角速度，扩大了测量范围；同时，由于采用体硅工艺制作，在降低成本的同时，使得陀螺仪可以方便地集成在集成电路上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的陀螺仪，具体是一种可测量任意方向角速度的气体陀螺仪。

背景技术

从上世纪末开始，基于热对流原理的微陀螺仪受到广泛重视，它利用角速度引起的哥氏力导致工作射流偏转，使其与一对或多对对称布置的热敏器件对流传热存在差异，通过检测热敏器件温差来获得角速度信息。

经对现有技术的文献检索发现，朴林华等人在《压电与声光》2005年6月第27卷第3期上发表的“压电射流角速度传感器敏感机理的有限元分析”，该文中提到一种基于热流原理的气体陀螺仪。具体结构如下：陀螺仪包含两个主要部件，一部分是压电泵，可以产生在密封腔室中不断循环的气流。另一部分是基于热电阻丝的敏感部件，置于气体喷嘴的下游。一旦有角速度信号的输入，原来从热电阻丝对称中心通过的射流束就会向某一方向偏离，造成对两热电阻丝不同的冷却，热电阻丝的阻值发生改变，引起电流改变，惠斯通电桥失衡，从而输出与角速度相对应的电压。这种装置的缺点是：(1)只能测量以某一固定轴为转轴的角速度，不能测量任意方向的角速度，限制了陀螺仪的应用范围；(2)另外，该传感器的部件需要使用传统机械技术装配，不能完全集成于MEMS工艺之中。

发明内容

本发明针对现有的技术的不足，提供一种可测量任意方向角速度的气体陀螺仪，该陀螺仪采用MEMS体硅工艺实现，降低了成本的同时，由于是平面结构，使陀螺仪可以集成在集成电路板上。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：硅芯片、压电泵和上TBN(氮化铽)层、下TBN层。硅芯片为立体空腔结构，压电泵采用压电陶瓷(PZT)泵，上TBN层、下TBN层分别封设在硅芯片的上下表面，构成一个密封结构，该密封结构内充满惰性气体，压电泵固设在硅芯片内部空腔中。

所述的硅芯片，其上设置有气流通道、主腔室、用于放置压电泵的压电泵腔室，共同构成一个封闭的气流回路，气流回路中充满惰性气体；圆形压电泵腔室置于硅芯片的一边，方形主腔室置于硅芯片的另一边，四周都有气流通道。

所述的硅芯片通过螺丝固定在集成电路板上。

所述的惰性气体为氩气。

所述的气流通道上方设置电阻丝，电阻丝垂直与气流方向放置。

所述的电阻丝通过引线与外设的电阻组成惠斯通电桥，用以测量金属电阻丝由于温度变化引起的电阻变化值。

所述的电阻丝由铂制成。

当硅芯片上的气流通道内气流从泵中喷出时，沿着主腔室两侧的气流通道从右向左流动，到达主腔室左边后，经过副喷嘴时气流方向改变，朝主腔室的入口主喷嘴流去，途中会流经通道上方的一对电阻丝，这对电阻丝用来测量以Z轴为旋转轴的角速度；气流从主喷嘴进入主腔室中，会经过两对金属电阻丝，其中与气流方向垂直放置的电阻丝用来测量以Y轴为旋转轴的角速度，与气流方向平行放置的电阻丝用来测量以X轴为旋转轴的角速度。

本发明每次测量角速度之前，首先给惠斯通电桥上的三对电阻丝通电电阻丝通电后温度升高，打开陀螺仪末端的压电泵，使氩气在陀螺仪中稳定的循环流动，受到压电泵的压力作用，氩气从压电泵中喷出，沿着陀螺仪两边的气流通道流动，到达陀螺仪另一端的两个副喷嘴，气流改变方向喷向主喷嘴，进入主腔室，最后返回泵中，完成一次循环。上TBN层、下TBN层起到密封陀螺仪的目的。

途中氩气会均匀喷过三对电阻丝，氩气气流对三对电阻丝的冷却效果相同，每对电阻丝温度及电阻相同，惠斯通电桥平衡。当外界对陀螺仪施加角速度时，陀螺仪中的气流在主腔室中的流动方向会受到哥氏加速度的影响而发生偏转，例如，当外界角速度的旋转轴为X轴时，气流从压电泵流出，并在主腔室两侧以及左边流过，进入主腔室后，气流方向改变为从左向右流动，这时由于受到哥氏加速度作用，气流会偏向一侧，这一侧的电阻丝由于流经的气流较大，电阻下降幅度大，而另一侧的电阻丝由于流经的气流较小，电阻下降幅度小，这一对电阻丝与外部电阻构成的惠斯通电桥不在平衡，通过测量电桥的输出电压即可计算出电阻变化量，从而得到外界的旋转轴为X轴的角速度，另外两个轴向的角速度测量方法与上面所述的X轴向角速度测量过程类似，在此不在赘述。

TBN要比使用现有技术中的聚甲基丙烯酸甲酯材料便宜很多，可以降低陀螺仪的成本。

本发明具有如下有益效果：增加了热敏电阻丝的数量，从而可以测量各个方向的角速度，扩大了测量范围；同时，由于采用体硅工艺制作，在降低成本的同时，使得陀螺仪可以方便地集成在集成电路上。

附图说明

图1为本发明的结构三维示意图；

图2为本发明的结构俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图给本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2所示，密封的长方体陀螺仪的结构参数为：15×20×0.3mm³(L×W×T)。本实施例包括：硅芯片1、上TBN层2、下TBN层3和压电泵4。硅芯片1为立体空腔结构，压电泵4采用压电陶瓷泵，上TBN层2、下TBN层3分别封设在硅芯片1的上下表面，构成一个密封结构，该密封结构内充满惰性气体，压电泵4固设在硅芯片1内部空腔中。

本实施例所述的硅芯片，其上设置有第一气流通道16、第二气流通道17、主腔室18和压电泵腔室19，共同构成封闭的气流回路。

所述的压电泵4上设置喷嘴，喷嘴包括：副喷嘴14和主喷嘴15，硅芯片上的主腔室18一侧设置副喷嘴14，硅芯片上的主腔室18另一侧入口设置主喷嘴15。

所述的压电泵腔室19，其圆形压电泵腔室置于硅芯片1的一边，其方形主腔室置于硅芯片1的另一边。

所述的气流通道上方设置第一、二、三铂材料的热敏电阻丝11、12、13，第一、二、三热敏电阻丝11、12、13垂直与气流方向放置。

压电泵4的振动频率为7KHz。

第一、二、三热敏电阻丝11、12、13电阻温度系数为0.00374/℃。第一、二、三热敏电阻丝11、12、13结构参数为：1000×40×0.3μm³(L×W×T)。在用上TBN层2、下TBN层3密封之前需充满氩气。

本实施例在300μm厚的硅片正反面沉积二氧化硅层，作为绝缘层。再在正面的二氧化硅层上沉积一层0.3μm厚的金属铂，并用剥离工艺对铂层进行图形化，同时对硅片背面的二氧化硅层进行光刻。对下TBN层3进行图形化，并且与硅片的背面进行键合。采用ICP-DRIE工艺对硅片进行刻蚀，形成第一、二、三热敏电阻丝11、12、13结构和第一气流通道16、第二气流通道17。最后，在下TBN层3的槽中安装PZT压电泵4，并用另一个上TBN层2密封制作好的硅芯片1TBN要比传统材料，如聚甲基丙烯酸甲酯便宜很多，可以降低陀螺仪的成本。

打开压电泵4和电路，工作十分钟左右，待陀螺仪中氩气循环稳定，并且通电的热敏电阻丝1温度也达到稳定后，测出无角速度时的输出电压。

当外界有角速度时，陀螺仪中气流会发生偏转，流过发热的第一、二、三热敏电阻丝11、12、13的气流大小也会不同，这样气流对第一、二、三热敏电阻丝11、12、13的冷却效果不同，有的电阻丝冷却快，与其配成一对的另一个电阻丝就会冷却慢，第一、二、三热敏电阻丝11、12、13的电阻不再相同，惠斯通电桥不平衡，输出电压会发生变化，待输出电压稳定后，测出此时的输出电压。可通过输出电压的变化得知第一、二、三热敏电阻丝11、12、13电阻的变化，进而得到每对热敏电阻丝的温度变化，从而得出气流的偏移量以及偏移方向，最后计算出外加角速度的大小以及方向。