[發(fā)明專利]三軸熱對(duì)流加速度傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710062556.3
• 申請(qǐng)日: 2007-08-13
• 公開（公告）號(hào): CN101105502A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊擁軍;徐淑靜;呂樹海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所
• 主分類號(hào): G01P15/08
• 分類號(hào): G01P15/08;G01C21/16;G01K7/24;G01K7/02
• 代理公司: 石家莊國(guó)為知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所
• 代理人: 張明月

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，尤其是涉及一種應(yīng)用于微機(jī)械傳感領(lǐng)域的三軸熱對(duì)流加速度傳感器。

背景技術(shù)

加速度傳感器能夠測(cè)量加速度、速度、位移和傾斜度等物理量，是一種應(yīng)用十分廣泛的慣性傳感器。但是，傳統(tǒng)機(jī)械加工方法制造的加速度傳感器因體積大、質(zhì)量大、成本高，應(yīng)用場(chǎng)合受到很大限制。近年來(lái)，利用微機(jī)械加工技術(shù)研制的微型加速度傳感器是一種典型的MEMS(Micro?Electro?MechanicalSystem縮寫成MEMS)器件，它克服了傳統(tǒng)加速度傳感器的缺點(diǎn)，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便，已成為微機(jī)械研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。微加速度傳感器具有體積小、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微型衛(wèi)星、自動(dòng)控制、導(dǎo)航、GPS、手機(jī)、汽車安全系統(tǒng)以及虛擬游戲機(jī)等諸多領(lǐng)域。加速度傳感器根據(jù)檢測(cè)軸向可以分為單軸加速度傳感器、雙軸加速度傳感器和三軸加速度傳感器，它的軸向越多實(shí)現(xiàn)的難度越大，因此，三軸的加速度傳感器的加工難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單軸加速度傳感器。目前三軸加速度傳感器的實(shí)現(xiàn)方法大多采用單軸組合的方式，或者一個(gè)單軸與一個(gè)雙軸組合的方式，這些方法相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但這種方法會(huì)產(chǎn)生安裝誤差和質(zhì)心位置誤差。采用MEMS技術(shù)能夠制造出不同工作方式的加速度傳感器，例如：壓阻式、隧道電流式和電容式等，但是這些類型的器件多數(shù)都存在著懸掛質(zhì)量塊，所以不能耐受大的加速度沖擊。

氣體敏感加速度傳感器由封閉腔體、加熱器和一對(duì)對(duì)稱的溫度傳感器構(gòu)成。加熱器和溫度傳感器懸在腔體內(nèi)，加熱器加熱使其周圍的氣體溫度升高、密度減小。在重力加速度的作用下，腔體內(nèi)的氣體發(fā)生對(duì)流。這樣位于加熱器相等距離上的一對(duì)溫度傳感器就能測(cè)量到加熱器兩邊的溫度差。器件封裝在密封的隔熱管殼內(nèi)，防止外部氣流和溫度對(duì)器件的影響。加速度傳感器的敏感方向是與成對(duì)的溫度傳感器形成的軸線平行的方向。敏感方向無(wú)加速度時(shí)，腔體內(nèi)被加熱的氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生均勻的對(duì)流，加熱器水平兩邊相等位置上的溫度相等，兩個(gè)溫度傳感器的輸出相等；敏感方向有加速度時(shí)，腔體內(nèi)的氣體在重力加速度和外在加速度的聯(lián)合作用下對(duì)流，加熱器水平兩邊相等位置上出現(xiàn)溫度差，兩個(gè)溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩個(gè)溫度傳感器采用熱敏電阻，可與外接的兩個(gè)參考電阻構(gòu)成電阻電橋。這樣外界的加速度信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為電橋的輸出電壓信號(hào)。目前公開的氣體敏感加速度傳感器一般只有單軸的和雙軸的兩種，單敏感元件的三軸熱對(duì)流加速度傳感器還沒有公開的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)為一體的、采用單一敏感元件的三軸熱對(duì)流加速度傳感器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明采用氣體作為敏感元件，氣體被封閉限定在一封閉腔體的空間內(nèi)，作為唯一的敏感元件，在封閉的腔體內(nèi)的X、Y、Z方向分別設(shè)置有溫度傳感器，在封閉腔體的中心設(shè)置加熱器。溫度傳感器等距離對(duì)稱的分布在X、Y、Z三個(gè)軸向上，在X、Y、Z三個(gè)軸向上的溫度傳感器的特性值相同并完全對(duì)稱。X、Y、Z三軸的溫度傳感器共用腔體中的氣體。加熱器和溫度傳感器上分別設(shè)置有引線與外部相連。

本發(fā)明利用MEMS技術(shù)對(duì)封閉腔體、加熱器和溫度傳感器進(jìn)行加工。本發(fā)明的三軸熱對(duì)流加速度傳感器的結(jié)構(gòu)具體由三層組成，在三個(gè)軸向上、加熱器兩側(cè)各有一對(duì)或者兩對(duì)特性值相同的溫度傳感器對(duì)稱分布在加熱器兩側(cè)。第2層是一個(gè)雙軸熱對(duì)流加速度傳感器，即在第2層平面上分別設(shè)置有兩組溫度傳感器，左右方向的一組溫度傳感器為X方向，前后方向的一組溫度傳感器為Y方向；第1層和第3層的溫度傳感器組成Z軸方向上的一組溫度傳感器，它們等距離對(duì)稱的分布在加熱器的上下兩側(cè)。

本發(fā)明的加熱器的具體結(jié)構(gòu)為：加熱器的形狀為中心對(duì)稱的圖形。此中心對(duì)稱的加熱器可以是中空的框形，也可以是實(shí)心的圖形。

上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：加熱器的形狀為方形、圓形或者中心對(duì)稱的多邊形的其中一種。加熱器的引線在方形的四個(gè)角、或者圓形的直徑方向、或者中心對(duì)稱的多邊形的軸線方向?qū)ΨQ引出。

本發(fā)明的溫度傳感器可以為熱敏電阻、熱電偶、熱電堆等溫度傳感器的其中一種。

如果本發(fā)明的溫度傳感器為熱敏電阻時(shí)，在X、Y、Z軸上分別設(shè)置兩對(duì)電阻值相等的檢測(cè)電阻，它們?cè)赬、Y、Z軸方向分別構(gòu)成電橋檢測(cè)電路。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得的技術(shù)進(jìn)步是：