[發明專利]一種獨立敏感式MEMS熱膨脹流陀螺

在審

• 申請號: 202310668551.4
• 申請日: 2023-06-07
• 公開（公告）號: CN116625346A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 樸林華;劉珺宇;佟嘉程
• 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

本發明公開了一種獨立敏感式MEMS熱膨脹流陀螺，該獨立敏感式MEMS熱膨脹流陀螺包括敏感層、和蓋板；敏感層上表面有兩個加熱器和兩對熱敏電阻，在敏感層下表面中心位置刻蝕有矩形凹槽；四個熱敏電阻兩兩對稱分布，分別分布于兩個加熱器兩側，一個加熱器兩側的熱敏電阻形成一個獨立敏感單元，共兩個獨立敏感單元，用于敏感Z軸的角速度；蓋板刻有空腔，與敏感層緊密相連形成一個密封的工作空間。本發明繼承了MEMS熱膨脹流陀螺的優點，結構緊密，體積小，重量輕，易于智能化和集成化。本發明采用獨立敏感單元，使陀螺具有較高的靈敏度。本發明的敏感元件中無懸臂梁結構，具有良好的抗沖擊性能、結構簡單、成本極低、可靠性高等特點。

技術領域

本發明屬于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，尤其是涉及一種獨立敏感式MEMS熱膨脹流陀螺，屬于慣性測量領域。

背景技術

自上世紀末以來,利用微機電系統MEMS技術制作的熱膨脹原理的微型慣性傳感器已發展了約20年,具有結構簡單、成本低、抗沖擊能力強、測量范圍大、功耗低等優點，在中精度或低精度測量場景中極具前景。微型慣性傳感器主要分為兩類：一類是用于測量線速度、線加速的加速度計；另一類是用于測量角速度、角加速度的陀螺。

傳統的微型陀螺（微機械陀螺）是基于科氏效應，采用高頻振動的固體質量塊作為可移動的敏感元件，是一種微電子和微機械結合的微型化速率陀螺。這種陀螺的固體質量塊需要通過機械彈性體進行懸掛，才能實現自身的振動。這種陀螺的抗沖擊性能差，在高速沖擊下容易發生損壞，同時這種陀螺的結構復雜,成本高，長時間工作時會產生疲勞損壞和振動噪聲。而基于熱膨脹原理的微型慣性傳感器采用氣體代替傳統的固體質量塊，它通過溫度傳感器敏感到由于角速度產生的溫度場的溫度變化來獲得外界角速度。因為沒有了傳統慣性傳感器的固體質量塊、震動和敏感結構，所以基于熱膨脹原理的微型慣性傳感器具有很高的抗沖擊性能，在保證一定精度的情況下，具有較高的測量范圍，廣泛應用在在航天、導航、電子設備等領域。

微型熱膨脹流陀螺的工作原理是利用溫度場的溫度變化來實現角速度的測量。當加熱器在驅動電流作用下進行加熱時，加熱器加熱周圍的氣體產生熱膨脹流形成溫度場，熱膨脹流均勻地流向兩側的熱敏電阻。在沒有角速度輸入的情況下，溫度場的溫度沿加熱器對稱分布，此時熱敏電阻敏感到的溫度相同，檢測電路輸出電壓是零。當有Z方向的角速度信輸入時,?在X方向運動的氣體上產生Y方向的哥氏加速度。該加速度使溫度場的溫度在Y方向發生偏移,?從而導致Y方向對稱位置的熱敏電阻發生不同變化,通過惠斯通電橋輸出與輸入角速度成正比的電壓，而得到角速度值。

中國專利申請：一種“十”字型推挽流微機械三軸薄膜陀螺（專利申請號CN202010584698.1）中微推挽式機械三軸薄膜陀螺的加熱器交替熱膨脹流，接在同一惠斯通電橋的熱敏電阻持續受到加熱器產生的熱膨脹流的作用，因此熱敏電阻的冷卻效果很差，從而減弱了熱敏電阻對溫度變化的敏感效果，降低了熱敏電阻的阻值變化范圍，傳感器的靈敏度低。在現有的解決方案，在現有的解決方案，雖然可以通過加大加熱器功率的方法提高靈敏度，雖然可以通過減少敏感層厚提高的散熱的方法提高靈敏度，但是受到陀螺結構穩定性的限制，陀螺的靈敏度沒有實質性的提高，因此解決上述問題成為本領域技術人員亟需解決的技術難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種獨立敏感式MEMS熱膨脹流陀螺，以解決現有技術中存在的技術問題。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明提供一種獨立敏感式MEMS熱膨脹流陀螺，包括敏感層、和蓋板，其中，

所述敏感層上表面有兩個加熱器和兩對熱敏電阻，在敏感層下表面中心位置刻蝕有矩形凹槽；

定義所述敏感層的長寬方向分別為X，Y方向，敏感層的高度方向為Z方向；所述加熱器分布于凹槽兩側，并與凹槽中心對稱，與X軸垂直；所述熱敏電阻放置方向與X方向垂直，四個熱敏電阻兩兩對稱分布，分別分布于兩個加熱器兩側，一個加熱器兩側的熱敏電阻形成一個獨立敏感單元，共有兩個獨立敏感單元，用于檢測Z軸的角速度；