專利名稱：微槽道流體角速率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微槽道流體角速率傳感器。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)是指可以用微電子等批量加工工藝制造的集微機械與微電子等部件于一體的微系統(tǒng)，它可以分成多個獨立的功能單元，輸入的物理或化學信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理后，得到可被檢測的電信號，并輸出。微機電系統(tǒng)的特點有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、通過IC等工藝可批量生產(chǎn)、成本低、性能一致性好、功耗低、諧振頻率高、響應(yīng)時間短、綜合集成度高、附加值高、具有多種能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ?。鑒于上述特性和優(yōu)點，微機電系統(tǒng)自80年代中末期發(fā)展至今一直受到世界各發(fā)達國家的廣泛重視，被認為是一項面向21世紀可以廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。
沿垂直于敏感軸向作振動的加速度計能感知垂直于敏感軸和振動軸的第三軸的旋轉(zhuǎn)角速率。利用該原理研制的慣性元件，稱為角速率傳感器。人們利用該原理，先后研制出了速率陀螺和速率積分陀螺，特別是采用微機電技術(shù)研制的微機械振動陀螺具有很大的發(fā)展前途。其結(jié)構(gòu)主要是由活動的質(zhì)量塊附加振動裝置及加速度檢測裝置組成?；顒淤|(zhì)量塊沿某方向振動，振動的質(zhì)量塊能感受與振動方向垂直的角速率，并由此產(chǎn)生沿第三軸方向上的哥氏加速度，哥氏加速度的大小與作用在質(zhì)量塊上的角速度成正比，檢測沿第三軸方向上的加速度就可求得角速度。該設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機械活動部件，需要采用復(fù)雜的硅加工工藝，工藝難度較大，由此帶來可靠性差，產(chǎn)品合格率低。
基于流體的角速度傳感器以流體代替運動質(zhì)量塊，不僅可以簡化傳感結(jié)構(gòu)，并可以極大地提高傳感器的抗沖擊能力?；趩蜗蛏淞鞯慕撬俣葌鞲心壳耙呀?jīng)在宏觀結(jié)構(gòu)中得以實現(xiàn)，有相關(guān)專利(US5107707-A)，利用該傳感結(jié)構(gòu)進行角速度檢測時，不能去除非哥氏效應(yīng)的加速度信號的影響，在有加速度存在時使得檢測無效。利用流體背向流動的角速度傳感結(jié)構(gòu)則可以通過差動處理消除非哥氏效應(yīng)加速度的影響，基于該種原理的角速度傳感器已有微型射流陀螺(專利號ZL01119802.8)和微型熱流陀螺(專利號ZL01129700.X)兩個專利。微型射流陀螺是利用小孔徑管道連通三個封閉腔體，驅(qū)動中間腔體上的薄膜，使得在另外兩個腔體中產(chǎn)生背向射流，通過檢測射流的偏轉(zhuǎn)反映角速度；微型熱流陀螺是在一封閉腔體中利用熱對流的原理實現(xiàn)流體的背向運動，通過檢測熱對流的偏轉(zhuǎn)反映角速度。前種結(jié)構(gòu)射流速度大，傳感器靈敏度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大；后種結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，但熱對流速度較低，傳感器靈敏度差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足，而提供一種微槽道流體角速率傳感器，采用單腔、微槽道結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)簡單，容易加工制作，此外流體速度可以通過槽道結(jié)構(gòu)、薄膜驅(qū)動幅度和驅(qū)動頻率得到較好的控制。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的微槽道流體角速率傳感器，包括一封閉的腔體，腔體分上腔體和下腔體兩部分，上腔體的頂部為周邊固定支撐的驅(qū)動薄膜，所述驅(qū)動薄膜上設(shè)置驅(qū)動驅(qū)動薄膜作上、下往復(fù)運動的驅(qū)動元件；下腔體內(nèi)設(shè)環(huán)形基凸臺，包括內(nèi)槽、外環(huán)槽以及設(shè)在環(huán)形基凸臺上相應(yīng)位置處的連通內(nèi)槽、外環(huán)槽的若干個通槽，所述若干個通槽為兩兩對稱分布，通槽為小內(nèi)口大外口結(jié)構(gòu)，在每通槽的位于外環(huán)槽的出口處分別對稱放置一對熱敏元件，以及與熱敏元件相連的檢測電路；所述檢測電路對每對熱敏元件的信號進行一次差分，再對兩兩對稱分布在通槽口上的熱敏元件的一次差分信號進行二次差分，二次差分后的信號進行加權(quán)組合，而獲得角速率輸出。
所說的檢測電路可包括所述每對熱敏元件中的兩熱敏元件串連后分別與串連的兩參考電阻并聯(lián)組成一電阻電橋，每個電阻電橋中的兩熱敏元件之間及兩參考電阻之間分別與一次差動放大器相連；兩個相對的一次差動放大器的輸出端分別與一個二次差動放大器的輸入端相連，所述兩個相對的一次差動放大器是指與它們相連的電阻電橋中的兩對熱敏元件為位置相互對稱；兩個二次差動放大器的輸出端與一個三次差動放大器相連，如此構(gòu)成多級放大差動電路；最末級差動放大器的輸出端與一個相敏解調(diào)器的輸入端相連，該相敏解調(diào)器的輸出端與一個低通濾波器的輸入端相連，該低通濾波器的輸出端與一個直流放大器的輸入端相連，該直流放大器的輸出即為角速率輸出。
本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)為由一個上腔體3和一個下腔體19組成的封閉腔，上腔體基片1上有上腔體3，上腔體3的上端為周邊固定支撐的驅(qū)動薄膜4，所述驅(qū)動薄膜上設(shè)置驅(qū)動驅(qū)動薄膜作上、下往復(fù)運動的驅(qū)動元件；下腔體基片2上有下腔體19，其中間設(shè)有基凸臺5的槽結(jié)構(gòu)和設(shè)在環(huán)形基凸臺5上相應(yīng)位置處的連通內(nèi)槽、外環(huán)槽的若干個通槽22、23、24、25，在外環(huán)槽6的每通槽出口處分別設(shè)置一對熱敏元件(圖中熱敏元件10和11，熱敏元件12和13，熱敏元件14和15，熱敏元件16和17)，并將這兩塊已經(jīng)具有結(jié)構(gòu)的基片粘貼起來，形成封閉的腔體。
本發(fā)明的技術(shù)特點在于驅(qū)動薄膜周期性振動，由于驅(qū)動薄膜周邊固定支撐，驅(qū)動薄膜中心點振動位移最大，從中心點往周邊，位移逐漸減小直到零。驅(qū)動薄膜的振動帶動封閉腔體中的氣體向下和向上往復(fù)運動，氣體除上下運動外，還產(chǎn)生由中心向周邊的發(fā)散和收縮運動。下腔體19的槽結(jié)構(gòu)對氣體的發(fā)散和收縮起引導(dǎo)作用，使氣體沿各通槽(如圖中的通槽22、23、24以及25)產(chǎn)生相對較大的流動速度。
用氣流作為敏感載體，省去了活動質(zhì)量塊，結(jié)構(gòu)簡單，由于沒有活動的質(zhì)量塊，它具有大量程和耐沖擊的特點；該發(fā)明的技術(shù)特點還在于通過熱敏元件的對稱放置和后續(xù)的信號處理可消除陀螺效應(yīng)之外的其它加速度的影響，并可提高測量靈敏度。


圖1為本發(fā)明的微槽道流體角速率傳感器(實施例)的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A剖視圖(也是下腔體的結(jié)構(gòu)示意圖)；圖3為本發(fā)明的檢測電路原理圖。
其中上腔體基片1上腔體基片2 上腔體3下腔體19 驅(qū)動薄膜4驅(qū)動元件18基凸臺5 外環(huán)槽6 內(nèi)槽7通槽22、23、24、25通槽25的內(nèi)口槽8 通槽25的外口槽9熱敏元件10、11、12、13、14、15、16、17電源26參考電阻27、28、29、30一次差動放大器31、32、33、34 二次差動放大器35、36三次差動放大器37 相敏解調(diào)器38 低通濾波器39直流放大器40 輸出41
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
本發(fā)明提供的微槽道流體角速率傳感器實施例，其結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)合上述各附圖詳細說明如下本發(fā)明采用的材料和加工方法不限，本實施例選用半導(dǎo)體硅材料和玻璃材料，主要采用半導(dǎo)體平面工藝、正面體硅工藝、硅-硅(或硅-玻璃)鍵合工藝制作，可分別在兩塊半導(dǎo)體硅基片(或一塊硅片和一塊玻璃)上采用腐蝕技術(shù)蝕刻出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，由一個上腔體3和一個下腔體19組成的封閉腔；所述的上腔體3的上端為周邊固定支撐的驅(qū)動薄膜4；所述的下腔體19內(nèi)設(shè)一環(huán)形基凸臺5，具有內(nèi)槽7和外環(huán)槽6；在環(huán)形基凸臺5的相應(yīng)位置處分別設(shè)有若干個通槽(如圖2中的22、23、24和25)連通內(nèi)槽7和外環(huán)槽6，所述的若干個通槽兩兩對稱分布，本實施例選用2對4個通槽；每一通槽的出口處分別對稱設(shè)置一對熱敏元件，熱敏元件可采用熱敏電阻絲或熱電偶等熱傳感器，本實施例選用熱敏電阻絲(圖2中的對稱放置的一對熱敏電阻絲10和11，一對熱敏電阻絲12和13，一對熱敏電阻絲14和15以及一對熱敏電阻絲16和17)；分別在硅片1和硅片(或玻璃)2上采用體硅腐蝕技術(shù)蝕刻出上述上、下腔體結(jié)構(gòu)，再將這兩塊上、下腔體結(jié)構(gòu)通過鍵合技術(shù)粘貼起來，便形成本發(fā)明的微槽道流體角速率傳感器結(jié)構(gòu)。其上腔體3的上壁制作成周邊固定支撐的驅(qū)動薄膜4，配以驅(qū)動元件18，使驅(qū)動薄膜4產(chǎn)生周期性的振動。驅(qū)動薄膜4帶動腔體內(nèi)氣體作上、下運動，驅(qū)動薄膜向下擠壓氣體時，腔中氣體除向下運動外還同時呈射線狀向外膨脹；驅(qū)動薄膜向上運動時，腔中氣體除向上運動外還同時呈射線狀向內(nèi)收縮。腔中氣體這種向外膨脹和向內(nèi)收縮效應(yīng)使得絕大部分氣體沿下腔體中的各通槽22、23、24、25快速流動，各通槽均設(shè)計成小內(nèi)口(如圖2中的8所示)和大外口(如圖2中的9所示)結(jié)構(gòu)，既提高了氣體在通槽中的流動速度，又使在外環(huán)槽6的出流和進流具有較穩(wěn)定的狀態(tài)。在外環(huán)槽內(nèi)的4個通槽口分別以通槽的縱軸為對稱軸，對稱安置8根(4對)熱敏電阻絲用以檢測當?shù)氐臍怏w流動。
現(xiàn)以驅(qū)動薄膜4周期振動中的下壓半周期為例，說明本發(fā)明的微槽道流體角速率傳感器的工作機理如下驅(qū)動薄膜4的下壓導(dǎo)致腔體內(nèi)的氣體向下運動，氣體在下腔體19中從內(nèi)槽7沿各通槽22、23、24、25向外環(huán)槽6流動。當存在繞Z軸方向的角速度ω時，各通槽在外環(huán)槽6的出流存在切向加速度(對通槽22、24槽道為沿X方向的加速度，對通槽23、25槽道為沿Y方向的加速度)a1＝a0+a0′+2ωV 22、25槽道出流的切向加速度a2＝a0+a0′-2ωV 23、24槽道出流的切向加速度其中a0為沿切向的牽連加速度，a0′為切向相對加速度，a0和a0′均稱為非哥氏加速度，V為出流速度，等式右邊第三項2ωV為哥氏加速度。出流在加速度的作用下沿切向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得對稱放置的4對熱敏元件的電阻產(chǎn)生變化。設(shè)熱敏電阻10、11、12、13、14、15、16、17上測得的電阻分別為T10、T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17。以下為信號處理方法第一步測得通槽22和25上的電阻差和ΔT1＝b1·(T10-T11)+b2·(T16-T17)，和通槽23槽道和24上的電阻差和ΔT2＝b3·(T14-T15)+b4·(T12-T13)，其中b1、b2、b3和b4為加權(quán)常數(shù)；第二步電阻差ΔT1與加速度a1成正比，即ΔT1＝K·a1電阻差ΔT2與加速度a2成正比，即ΔT2＝K·a2將兩電阻差和再取差，得ΔT2-ΔT1＝K·(a2-a1)＝K·4ωV＝K′ωV，消除了非哥氏加速度，只留下了與角速度有關(guān)的哥氏加速度。由于K′為預(yù)知常數(shù)(可以通過標定獲得)，V為可控、可測的出流速度，因而待測角速度ω為 本發(fā)明實施例的檢測電路組成及原理結(jié)合圖3說明如下兩熱敏電阻10和11與兩參考電阻27組成電阻電橋，10與11之間的差動電阻信號通過一次差動放大器31得到；兩熱敏電阻12和13與兩參考電阻28組成電阻電橋，12與13之間的差動電阻信號通過一次差動放大器32得到；兩熱敏電阻16和17與兩參考電阻29組成電阻電橋，16與17之間的差動電阻信號通過一次差動放大器33得到；兩熱敏電阻14和15與兩參考電阻30組成電阻電橋，14與15之間的差動電阻信號通過一次差動放大器34得到；兩個相對位置的熱敏電阻10和11的差動和12、13的差動之間的二次差動信號通過差動放大器35得到；兩個相對位置的熱敏電阻16、17的差動和14、15的差動之間的二次差動信號通過差動放大器36得到；兩個二次差動信號之間的三次差動信號通過差動放大器37得到；三次差動后的信號經(jīng)過相敏解調(diào)器38將傳感器信號(即角速率信號)從交變的振動源信號中解調(diào)出來，再經(jīng)過低通濾波器39消除信號中的高頻干擾，由直流放大器40將信號放大并輸出，其輸出即為角速率輸出。
權(quán)利要求
1.一種微槽道流體角速率傳感器，其特征在于，包括一個封閉的腔體，腔體分上、下兩部分，上腔體的頂部為周邊固定支撐的驅(qū)動薄膜，所述驅(qū)動薄膜上設(shè)置驅(qū)動驅(qū)動薄膜作上、下往復(fù)運動的驅(qū)動元件；下腔體內(nèi)設(shè)環(huán)形基凸臺，包括內(nèi)槽、外環(huán)槽以及設(shè)在環(huán)形基凸臺之上相應(yīng)位置處的連通內(nèi)槽、外環(huán)槽的若干個通槽，所述的若干個通槽為兩兩對稱分布，通槽為小內(nèi)口和大外口結(jié)構(gòu)；在每一通槽的位于外環(huán)槽的出口處分別對稱放置一對熱敏元件，以及與熱敏元件相連的檢測電路；所述檢測電路對每對熱敏元件的信號進行一次差分，再對兩兩對稱分布在通槽口上的熱敏元件的一次差分信號進行二次差分，二次差分后的信號進行加權(quán)組合，而獲得角速率輸出。
2.按權(quán)利要求1所述的微槽道流體角速率傳感器，其特征在于，所述的檢測電路包括所述每對熱敏元件中的兩熱敏元件串連后分別與串連的兩參考電阻并聯(lián)組成一電阻電橋，每個電阻電橋中的兩熱敏元件之間及兩參考電阻之間分別與一次差動放大器相連；兩個相對的一次差動放大器的輸出端分別與一個二次差動放大器的輸入端相連，所述兩個相對的一次差動放大器是指與它們相連的電阻電橋中的兩對熱敏元件為位置相互對稱；兩個二次差動放大器的輸出端與一個三次差動放大器相連，如此構(gòu)成多級放大差動電路；最末級差動放大器的輸出端與一個相敏解調(diào)器的輸入端相連，該相敏解調(diào)器的輸出端與一個低通濾波器的輸入端相連，該低通濾波器的輸出端與一個直流放大器的輸入端相連，該直流放大器的輸出即為角速率輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及的微槽道流體角速率傳感器，包括一個封閉的腔體，腔體分上、下兩部分，上腔體的頂部為周邊固定支撐的驅(qū)動薄膜，下腔體由內(nèi)槽、外環(huán)槽以及連通內(nèi)外槽的兩兩對稱分布的若干個通槽組成，各通槽為小內(nèi)口和大外口結(jié)構(gòu)；所說驅(qū)動薄膜上設(shè)置驅(qū)動元件；各通槽出口處分別對稱設(shè)置一對熱敏元件，以及與熱敏元件相連的檢測電路，檢測電路的輸出為角速率輸出；本發(fā)明為具有結(jié)構(gòu)簡單、無活動質(zhì)量塊、基于微流體運動的微機電角速率傳感器。
文檔編號G01C19/58GK1779465SQ20041009170
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者丁衡高, 朱榮 申請人:清華大學