[發明專利]一種基于熱膨脹流的MEMS三軸陀螺及其加工方法

有效

• 申請號: 201410140298.6
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103900544B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 常洪龍;鞏向輝;王莎莎
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 呂湘連

技術領域

本發明涉及一種基于熱膨脹流檢測空間三軸角速度的MEMS陀螺及其加工方法，屬于慣性測量領域。

背景技術

微機電系統（MEMS）是采用硅基半導體工藝來制作微型機械的一項前沿技術。MEMS技術與陀螺技術的結合，產生了許多新原理的微陀螺。其中，MEMS振動式陀螺是基于一個高頻線振動或角振動的振子，利用科氏效應所產生的運動耦合來檢測外界輸入的角速度。在過去20多年的時間里，微機械振動式陀螺作為MEMS陀螺的一個重要發展方向，獲得了長足發展，并成功應用于汽車電子和消費電子等領域。然而，MEMS振動式陀螺抗沖擊性能較差，結構容易疲勞，且存在正交耦合誤差等問題。

最近十年來，MEMS流體陀螺越來越受到MEMS研究者的關注。MEMS流體陀螺采用流體（多為氣體）作為工作介質，無需運動微質量塊或者其他運動部件，因而克服了MEMS振動式陀螺抗沖擊較差，結構容易疲勞等問題。MEMS流體陀螺主要包括基于強迫對流的MEMS陀螺（射流陀螺）、基于自然對流的MEMS陀螺以及基于熱膨脹流的MEMS陀螺。其中基于熱膨脹流的MEMS陀螺是最近幾年剛提出的一種新型微陀螺，與射流陀螺相比，無需射流微泵，因而工藝實現起來更加簡易；與基于自然對流的MEMS陀螺相比，無需工作在重力環境下，因而工作環境范圍更加寬廣。

基于熱膨脹流的MEMS陀螺的基本原理為：在密封腔體內，懸空的金屬電阻絲通電發熱，其周圍的氣體介質受熱膨脹，形成運動的熱膨脹流，該熱膨脹流在運動過程中不斷與周圍的氣體發生動量、能量和質量交換。當外界有垂直于熱膨脹流運動方向的角速度輸入時，由于科氏效應，運動的熱膨脹流將發生偏轉，造成流體溫度場的變化，根據熱電阻效應，此時相對于加熱金屬絲對稱分布的一對熱敏電阻或者電阻溫度計將發生阻值相反的變化，通過相應的檢測及處理電路，可實現對應角速度的檢測。在申請號為201210130318.2的專利“一種微型熱驅動氣流陀螺及其制作方法”中，通過結構及電路設計，可以在密封的檢測腔內形成一穩定的熱膨脹流，但由于結構的限制，其只能檢測一個自由度的角速度，集成度較低。

發明內容

本發明的目的是：利用基于熱膨脹流的MEMS微陀螺所具有的優點，公開一種基于熱膨脹流可同時檢測空間三軸角速度的MEMS陀螺。到目前為止，基于熱膨脹流的微陀螺幾乎都限制于一軸角速度的測量，集成度低。本發明提出的基于熱膨脹流的MEMS陀螺可實現空間三軸角速度的同時測量，并且可以大大減小Z軸加速度對陀螺靈敏度的影響。

本發明所采用的技術方案是：一種基于熱膨脹流的MEMS三軸陀螺，主要包括上密封層、下基底層、中間檢測層；所述中間檢測層上有“十”字檢測腔及位于檢測腔內的金屬電阻橋加熱元件和金屬電阻橋熱敏元件；

上密封層和下基底層將“十”字檢測腔的氣體介質與外界隔離，形成一個密封的工作系統；“十”字檢測腔高度與上密封層中凹槽的深度為總的腔體高度z，100μm≤z≤1000μm；

定義檢測腔的十字兩臂方向分別為X，Y方向，檢測腔的高度方向為Z向；

四個金屬電阻橋加熱元件對稱懸置于“十”字檢測腔四臂的根部，且各金屬電阻橋加熱元件與相應的“十”字檢測腔四臂垂直，即四個金屬電阻橋加熱元件為X或Y向；

四個金屬電阻橋加熱元件的通電方式為周期性間歇性通電，即加熱元件的一個工作周期包括脈沖電壓激勵時間與斷電間隔時間；

金屬電阻橋熱敏元件包括檢測X軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件、檢測Y軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件、檢測Z軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件；檢測X軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件為兩個，對稱懸置于“十”字檢測腔Y向兩臂上，且與Y向臂垂直；檢測Y軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件為兩個，對稱懸置于“十”字檢測腔X向兩臂上，且與X向臂垂直；檢測Z軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件為八個。“十”字檢測腔的四個十字臂末端兩側分別懸置一個金屬電阻橋熱敏元件，且與對應臂平行；

金屬電阻橋熱敏元件的通電方式均為恒流電；

四個金屬電阻橋加熱元件的懸置高度一致，均為z1；檢測X軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件、檢測Y軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件、檢測Z軸角速度的金屬電阻橋熱敏元件的懸置高度一致，均為z2，必須滿足：z1＜z2，即加熱元件與熱敏元件之間存在高度差，該高度差范圍為50～100μm。