[發明專利]一種單熱源十字流式微機械三軸薄膜陀螺

在審

• 申請號: 202010584713.2
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111595323A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 樸林華;李備;樸然;李美櫻;王燈山
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 北京邦創至誠知識產權代理事務所(普通合伙) 11717
• 代理人: 張宇鋒

本發明公開了一種單熱源十字流式微機械三軸薄膜陀螺，包括敏感層和蓋板，敏感層的上表面設置有呈“十”字型結構的四根加熱器和六對熱敏電阻，敏感層的下表面刻蝕有一“十”字型凹槽；一根加熱器、一對Z軸熱敏電阻和一根X/Y軸熱敏電阻構成一個測量單元；四根加熱器的通電方式為周期方波式通電；蓋板上刻蝕有凹槽，且與敏感層的上表面密閉連接。本發明提出的基于熱膨脹流的MEMS陀螺，形成“十”字型分布的對流式的熱流，這種對流式熱流流速大、氣流狀態穩定，陀螺靈敏度高，穩定性好，可實現空間三軸角速度的同時測量，具有很高的集成度。

技術領域

本發明涉及利用哥氏力偏轉熱流敏感體檢測運動體角速度姿態參數的技術領域，尤其是涉及一種單熱源十字流式微機械三軸薄膜陀螺。

背景技術

利用微機電系統MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術制作的微型慣性傳感器有大批量生產、成本低、體積小、功耗低等諸多優點，是未來中、低精度微型慣性傳感器的理想產品。陀螺、加速度計是載體運動姿態測量和控制的核心慣性傳感器，而陀螺是敏感角速度、角加速度等角參數的傳感器。傳統的微型陀螺(微機械陀螺)是基于高頻振動質量被基座帶動旋轉時存在的哥氏效應原理，微電子和微機械結合的微型化速率陀螺。這種陀螺敏感元件內的固體質量塊需要通過機械彈性體懸掛并振動，在稍高加速沖擊下容易損壞，同時為了減少阻尼需要真空封裝，其工藝復雜，長時間工作時會產生疲勞損壞和振動噪聲。而微型流體慣性器件是一種新型的通過檢測密閉腔體內流體的流場偏移量，實現輸入加速度和角速度的測量。由于其沒有傳統的微型陀螺中的可動部件和懸掛系統，所以能抗高過載；由于其敏感質量為氣體，質量幾乎為零，所以響應時間短、壽命長；由于其結構簡單，能滿足低成本的應用要求。微型流體陀螺是利用密閉腔體內氣流敏感體在哥氏力作用下發生偏轉，由熱敏電阻(熱線)來敏感角速度引起偏轉量的角速度傳感器。目前，市場對微型慣陀螺適應惡劣苛刻的環境能力要求越來越高，與傳統的微機械振動陀螺相比，微型流體陀螺以其極高的抗振動、沖擊特性和低成本等優勢，更具市場競爭力，應用前景十分廣闊。

目前基于MEMS技術的微型流體陀螺大致可以分為四類大類:微型射流陀螺，ECF(electro-conjugate fluid)流體陀螺、微型熱對流陀螺和微型熱流陀螺。中國專利：一種微型四通道循環流式三軸硅射流陀螺(專利申請號：201510385582.4)，屬于微型射流陀螺，其敏感元件內的壓電片增加了加工難度和成本，且在保持流速的前提下其體積難以進一步縮小。ECF流體陀螺的體積較大(40mm×60mm×7mm)，且液體形成噴射流需高達上千伏的電壓，故而ECF陀螺很難實現大批量、低成本的商業化。微型熱對流陀螺無重力場就無法工作，靈敏度低。上述微型流體陀螺因其各自固有的缺點使其難以成為低成本商業化微型陀螺的選擇。微型熱流陀螺(也稱熱膨脹陀螺)是近幾年提出的一種比較新的微型流體陀螺，敏感元件內無壓電片，不需要高電壓，可以在無重力環境下使用，它的靈敏度適中，介于微型射流陀螺和微型熱對流式陀螺之間，同時它具有結構和加工工藝非常簡單，成本極低，可靠性高，具有優秀的抗振動和沖擊特性。

微型熱流陀螺的敏感工作原理是利用加熱器通電產生焦耳熱，加熱其周圍的氣體，形成氣體熱擴散，產生沿著一定方向運動的氣流敏感體，當有角速度輸入時，氣流敏感體在哥氏力作用下發生偏轉，造成惠斯登電橋的橋臂電阻(一般由熱敏電阻組成)的改變，從而輸出與輸入角速度成正比的電橋不平衡電壓。在中國專利201410140298.6和201210130318.2中傳感器敏感元件內的主要部件-加熱器和熱敏電阻均采用懸空懸臂梁結構，由于加熱器和熱敏電阻均懸浮于腔體上方，刻蝕腔體釋放結構后，應力會造成加熱器和熱敏電阻變形，甚至斷裂，成品率低，而且翹曲變形會在無角速度輸入情況下產生不對稱的氣體流場，從而造成角速度檢測誤差。因此如何克服上述問題成為本領域技術人員亟需解決的技術難題。

公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發明的總體背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現有技術。

發明內容