一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺

摘要

本发明涉及一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺，属于惯性测量领域。该陀螺主要包括基底层、敏感层和盖板，敏感层的上表面设置有相互平行的三组加热器和两对平行的热敏电阻，在加热器和热敏电阻的下方设置有悬空的绝缘电阻桥；基底层上表面刻蚀有“工”字形腔体；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。本发明采用MEMS加工工艺制作，具有体积小、成本低、可批量生产等优点。基于这些优点它可以广泛应用于电子设备、航天及医学仪器等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及哥氏力偏转热流敏感体检测运动体角速度姿态参数的技术领域，尤其是涉及一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺，属于惯性测量领域。

背景技术

陀螺仪是一种惯性传感器，用于精确测量运动物体的角速度。硅基微结构陀螺仪是最常见的传感器之一，包括压力传感器和加速度计。微结构陀螺在过去的几十年里得到了广泛的研究和发展，随着微机电系统(MEMS)技术的出现，这些传感器已经逐渐成熟。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。

基于热膨胀原理的微型惯性传感器的敏感元件为气体 ,它通过温度传感器敏感受到角速度作用的流体温度的差异来获得外界角速度。由于没有了传统加速度传感器的悬挂质量和振动结构, 所以能够抵抗很高的冲击 ,并能保证一定的精度,能很好的解决高过载和高精度之间的矛盾。同时由于采用MEMS技术加工,具有体积小、重量轻和成本低等优点,使热膨胀微型惯性传感器得以广泛应用。MEMS热膨胀陀螺的原理在国际上属于首创,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。基于这些优点它可以广泛应用于平台稳定系统,如照相机、摄像机等电子产品的稳定系统, 所以其市场前景十分光明；更为重要的是，它可以与热对流加速度计组合构成抗大冲击的惯性制导等应用，而且量程和灵敏度不受传统理论的限制。

微型热膨胀陀螺的敏感工作原理是利用对流场的流速来实现角速度测量的。当加热器在驱动电压作用下加热时，位于加热器上方的气体受热上升 ,导致两侧的气流过来补充,产生靠近热敏电阻方向的流动 。当没有外界角速度作用时，热敏电阻两侧气体流速相等,方向相反,对流场分布完全对称, 温度传感器感受到的温度相同，检测电路输出角速度是零。当有Z方向的角速度信号作用时, 在X方向运动的气体上产生Y方向的哥氏加速度。该加速度使气体的运动在Y方向发生偏移, 从而导致Y方向对称位置的温度传感器发生不同变化,通过惠斯通电桥输出与输入角速度成正比的电压，从而得到角速度值。中国专利申请：一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺（专利申请号202010584315.0） 是利用一组加热器交替进行加热，受哥式力影响，造成不对称温度场，通过设置对称的热敏电阻检测温度场的不对称分布。然而，由于这些热膨胀流陀螺加热器和热敏电阻的排列位置的原因，导致加热器加热时会使其产生的部分热气流流失，造成其温差较小，灵敏度较低的问题；同时，目前的大部分热膨胀陀螺均采用一对加热器交叉加热或者单热源加热，会产生线加速度与旋转角速度之间的耦合效应以及产生的流体在腔体内受力不对称，没法快速流动等问题，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种于双向热膨胀流的MEMS陀螺，包括基底层、敏感层和盖板，其中，

所述基底层上表面刻蚀有一“工”字形腔体；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接；所述基底层和盖板将“工”字形腔体内的工作气体与外界隔离，形成敏感气体的工作空间；“工”字形腔体的高度与盖板上凹槽的深度为总的腔体高度H，50μm≤H≤300μm；

所述敏感层的上表面设置有相互平行的三对加热器和两对平行排列的热敏电阻，在加热器和热敏电阻的下方设置有悬空的绝缘电阻桥；

定义所述敏感层的上表面的与热敏电阻平行的方向为X向，与热敏电阻垂直的方向为Y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Y方向垂直；检测Z轴角速度的热敏电阻为四个，沿X轴方向放置，其放置方向与Y轴方向垂直；三对加热器对称放置在X轴方向上，其放置方向与Y轴方向垂直；

三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。

作为一种进一步的技术方案，每根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%。

作为一种进一步的技术方案，所述“工”字形腔体的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓。

作为一种进一步的技术方案，所述“工”字形腔体的高度为整个敏感层高度的2/3至3/4。

作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为整个盖板高度的2/3。

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h，0.5μm≤h≤2μm。

作为一种进一步的技术方案，每个所述加热器由6根串联的Cr/Pt材料金属电阻线构成。

作为一种进一步的技术方案，每个所述热敏电阻是由4根串联的Cr/Pt材料金属电阻线构成。

作为一种进一步的技术方案，本发明一种基于双向热膨胀流的MEMS陀可采用MEMS工艺制造，其具体加工方法如下：

步骤一：在硅片的正反两面热氧化一层500nm的SiO

步骤二：在基底的正反两面旋涂正性光刻胶；；

步骤三：一次光刻形成凹槽腐蚀的窗口；

步骤四：湿法腐蚀窗口下方的SiO

步骤五：利用NMP溶液（N-甲基吡咯烷酮）去除光刻胶；

步骤六：湿法腐蚀Si，形成凹槽结构；

步骤七：在基底的正面进行二次涂胶；

步骤八：二次光刻形成加热器、热敏电阻及焊盘；

步骤九：分别溅射Cr/Pt/Au作为金属层；

步骤十：剥离，形成所需热敏元件的结构。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提出的供一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺继承了传统陀螺仪抗冲击能力强、结构简单、成本低、功耗低等优点，实现了基于热膨胀流的MEMS陀螺的Z轴角速度测量。

2.这种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺由三个交替加热的加热器和四个热敏电阻组成，因其独特的结构优势和异步驱动方式，使其形成的流体在腔室中可以在两个方向上和对称地更快地移动，因此，可以实现更高的输出灵敏度和更好的抑制交叉耦合。

3.本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，工艺简单，敏感件元成品率高，便于引入微机嵌入式系统（单片机），进行温度补偿和非线性度补偿，具有高集成度的潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基底层三维结构示意图；

图3为本发明实施例提供的盖板三维结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基底层与敏感层俯视图；

图5为图4的A-A向剖视图；

图6为本发明实施例提供的工作原理图；

图7为本发明实施例提供的加热器的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的热敏电阻的结构示意图；

图9本发明实施例提供的一种新型微机械Z轴热膨胀陀螺制备工艺流程图；

图标：1-基底层、2-敏感层、3-“工”字形腔体、4-绝缘电阻桥、5-盖板、6-盖板凹槽、7-加热器、8-加热器、9-加热器、10-加热器、11-加热器、12-加热器、13-热敏电阻、14-热敏电阻、15-热敏电阻、16-热敏电阻、17-金属电极、18-加热电阻线、19-热敏电阻线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1-6所示，本实施例提供本发明提供一种基于双向热膨胀流的MEMS陀螺，包括基底层1、敏感层2和盖板5，其中，所述基底层1上表面刻蚀有一“工”字形腔体3；盖板5上刻蚀有凹槽6，且与敏感层2的上表面密闭连接；所述基底层1和盖板5将“工”字形腔体3内的工作气体与外界隔离，形成敏感气体的工作空间。

所述基底层1的上表面设置有相互平行的三对加热器（加热器7和加热器8、加热器9和加热器10、加热器11和加热器12）和两对平行摆放的热敏电阻（热敏电阻13和热敏电阻14、热敏电阻15和热敏电阻16），在加热器和热敏电阻的下方设置有悬空的绝缘电阻桥4。

定义所述敏感层的上表面的与热敏电阻平行的方向为X向，与热敏电阻垂直的方向为Y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方向平行。

检测Z轴角速度的热敏电阻为四个，即热敏电阻13、热敏电阻14、热敏电阻15、热敏电阻15，沿X轴方向放置，其放置方向与Y轴方向垂直；

三对加热器（加热器7和加热器8、加热器9和加热器10、加热器11和加热器12）平行放置在Y轴方向上，其放置方向与X轴方向平行。

工作时，三对电阻式的加热器用于加热气体介质并促进气体流沿X轴的定向运动。加热器由两个相同频率的方波驱动，相位差为90度，脉冲占空比为50%。热敏电阻的通电方式均为恒流电。

具体来说：在密封腔内，加热器电阻通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成运动的热膨胀流；而作用加热器上的方波，交替加热和冷却三组加热器，这样在三组加热器间形成一种上下对称的推挽式的双向流动的热膨胀流（如图6所示），这种对称热膨胀流流速大、气流状态稳定，可以很好的抑制与加速度的交叉耦合。呈平行摆放的四个热敏电阻用来检测外界角速度输入所带来的周围气体温度的变化，同时增加了热膨胀流的接触面积，使陀螺的灵敏度更高。

具体的说，当外界有Z轴角速度输入时，由于哥氏力原理，运动的热膨胀流发生相应的偏转，Y轴方向的三组加热器产生的热气流会沿着相反的方向到达对应的两组呈平行摆放的热敏电阻，形成相反的加热效应，热敏电阻产生了与输入的Z轴角速度成正比的温差；根据金属热电阻效应，热敏电阻将产生电阻阻值差，通过惠斯通电桥电路，将检测的阻值差转换成电压差，进而由温差和电压差可推算出外界Z轴角速度的大小。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，每个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%。电阻通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成热流，作用加热器上的方波，交替加热和冷却每对加热器，这样在三组加热器间，每两组都会形成一种推挽式的双向流动的热膨胀流，这种推挽式热膨胀流流速大、气流状态稳定。方波驱动加热器工作分为两个阶段，在第一个阶段，加热器7、加热器8、加热器11、加热器12通电加热，加热器9、加热器10不通电，处于环境温度，产生指向9、10的热膨胀流。在第二个阶段，加热器9、加热器10通电加热，加热器7、加热器8、加热器11、加热器12不通电，处于环境温度，在三组加热器间产生与第一阶段方向相反的热膨胀流，热膨胀流的方向指向加热器7、加热器8和加热器11、加热器12。

以第一阶段为例说明单轴热流陀螺的工作原理。在Z轴方向有角速度输入Ωz时，由于哥氏力(Coriolis force)原理，热器7和加热器8、加热器9和加热器10、加热器11和加热器12之间产生的两组热膨胀流将会在YOX面内发生偏转，热膨胀流偏向的热敏电阻温度高于和它共线的另一个热敏电阻，因此两组呈“一”字形摆放的热敏电阻13、热敏电阻14和热敏电阻15、热敏电阻16产生了与输入角速度Ωz成正比的温差。热敏电阻13、热敏电阻14和热敏电阻15、热敏电阻16分别连接成两个惠斯登电桥的两个等臂，加热会使热敏电阻线电阻阻值发生改变，阻值的改变通过惠斯登电桥转换为两个与角速度Ωz成正比的电压Vz输出，从而敏感Z轴角速度。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述 “工”字形腔体的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓以形成薄膜结构，增加密封腔体内气体介质的热扩散。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述“工”字形腔体的高度为整个敏感层高度的2/3至3/4。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为整个盖板高度的2/3。

在该实施例中，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h，0.5μm≤h≤2μm。

结合图7-8所示，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，每个所述加热器是由6根串联的Cr/Pt材料加热电阻线18构成。通过这样设计Cr/Pt材料加热器金属电阻线，加热器可以产生更多的热量，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。每个所述热敏电阻是由4根串联的Cr/Pt材料金属热敏电阻线19构成。通过这样设计Cr/Pt材料热敏电阻金属电阻线，热敏电阻能获得更大的电压信号输出，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。本申请中的每个电极均是由Cr/Au材料的金属电阻17构成，这样设计的金属电极可增加陀螺的稳定性和抗冲击性能。

综上所述，本发明所提出的热膨胀陀螺采用三组加热器的交替加热和冷却，并通过异步驱动方式，使得形成的流体在腔室中可以在两个方向上和对称地更快地移动。具有灵敏度更高，抑制交叉耦合能力强，结构简单，尺寸小，可靠性高等优势；且通过设置“工”字形腔体3使基底层主体厚度很薄，散热性好。本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，稳定性好，可实现平面Z轴角速度的测量，具有很高的集成度及可批量生产的潜力，体积小、功耗低、成本低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。