專利名稱：微型熱流陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型導(dǎo)航器件的設(shè)計(jì)。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是指可以用微電子等批量加工工藝制造的集微機(jī)械與微電子等部件于一體的微系統(tǒng)，它可以分成多個(gè)獨(dú)立的功能單元，輸入的物理或化學(xué)信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，通過(guò)執(zhí)行器與外界作用。MEMS的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、通過(guò)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(shí)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艿男?yīng)等。鑒于上述特性和優(yōu)點(diǎn)，MEMS自80年代中末期發(fā)展至今一直受到世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛重視，被認(rèn)為是一項(xiàng)面向21世紀(jì)可以廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。
沿垂直于敏感軸向作振動(dòng)的加速度計(jì)能敏感垂直于敏感軸和振動(dòng)軸的第三軸的旋轉(zhuǎn)角速率。利用該原理研制的慣性元件，能敏感角速率。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MEMS技術(shù)研制的微機(jī)械振動(dòng)陀螺具有很大的發(fā)展前途。其結(jié)構(gòu)主要是由活動(dòng)的質(zhì)量塊附加振動(dòng)裝置及加速度檢測(cè)裝置組成，如

圖1所示。硅片1(活動(dòng)的質(zhì)量塊)沿Z軸方向振動(dòng)，當(dāng)有沿X軸方向的角速度時(shí)，硅片會(huì)產(chǎn)生沿Y軸方向的加速度，該加速度使得硅片在Y方向上產(chǎn)生偏移，偏移被安置在兩面玻璃2上的電極3所探測(cè)，由此測(cè)得加速度。該加速度中除牽連加速度、相對(duì)加速度、還包含哥氏加速度，由于前兩部分均為平方項(xiàng)，而第三項(xiàng)隨著振動(dòng)速度的正負(fù)反向呈現(xiàn)出正負(fù)交變特性，通過(guò)對(duì)正負(fù)半周進(jìn)行差分處理，可以將平方項(xiàng)消除，僅僅保留交變的哥氏部分。因?yàn)楦缡霞铀俣扰c沿X方向的角速度成正比，所以知道哥氏加速度即可求得角速度。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有活動(dòng)部件(硅片)，需要采用復(fù)雜的硅加工工藝，工藝難度較大，由此帶來(lái)可靠性差，產(chǎn)品合格率低。目前國(guó)際上還沒(méi)有批量生產(chǎn)的微機(jī)械陀螺。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種微型熱流陀螺，使其成為具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、盡可能無(wú)活動(dòng)部件、可以基本利用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作的微機(jī)電系統(tǒng)，并有較高的可靠性和產(chǎn)品合格率，可以充分發(fā)揮微系統(tǒng)可大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的一種微型熱流陀螺，其特征在于，包括由封閉的半導(dǎo)體硅腔體、一根加熱絲或兩片激振硅片和位于其兩側(cè)相互對(duì)稱的四根熱敏絲，以及與該熱敏絲相連的檢測(cè)電路構(gòu)成；所說(shuō)的加熱絲或激振硅片和熱敏絲懸固在硅腔體內(nèi)上面。
本發(fā)明所說(shuō)的檢測(cè)電路可包括所說(shuō)的兩熱敏電阻與兩參考電阻組成一電阻電橋，每個(gè)電阻電橋中的兩熱敏電阻之間、兩參考電阻之間與一級(jí)差動(dòng)放大器相連；兩個(gè)一級(jí)差動(dòng)放大器的輸出端與一個(gè)二級(jí)差動(dòng)放大器的輸入端相連；該二級(jí)差動(dòng)放大器的輸出端與一個(gè)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(gè)低通濾波器的輸入端相連，該低通濾波器的輸出端與一個(gè)直流放大器的輸入端相連。
所說(shuō)的檢測(cè)電路還可包括所說(shuō)的兩對(duì)熱敏電阻中的一個(gè)熱敏電阻的一端分別與一同相放大器的輸出端相連，另一個(gè)熱敏電阻的一端分別與一反相放大器的輸出端相連，所說(shuō)的兩個(gè)同相放大器和兩個(gè)反相放大器的輸入端接入一高頻信號(hào)源，所說(shuō)的兩對(duì)熱敏電阻的另一端分別與一前置放大器的輸入端相連，兩前置放大器的輸出端與一差動(dòng)放大器的輸入端相連，差動(dòng)放大器的輸出端與一個(gè)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(gè)低通濾波器的輸入端相連，該低通濾波器的輸出端與一個(gè)直流放大器的輸入端相連。
本發(fā)明可選用半導(dǎo)體硅材料，主要采用半導(dǎo)體平面工藝和正面體硅工藝制作。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)在于利用封閉腔體內(nèi)氣體的熱膨脹和收縮效應(yīng)，用氣體分子作為敏感載體，省去了活動(dòng)質(zhì)量塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝上可以采用和IC工藝兼容的表面工藝和正面體硅工藝，易于與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)單片集成，由于沒(méi)有活動(dòng)的質(zhì)量塊，它具有大量程和耐沖擊的特點(diǎn)；該發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)還在于通過(guò)熱敏絲的對(duì)稱放置和后續(xù)的信號(hào)處理消除了非哥氏效應(yīng)之外的其它加速度的影響，并提高了測(cè)量靈敏度；該發(fā)明中的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)、相似的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)有關(guān)微機(jī)電器件的發(fā)明還沒(méi)有，本發(fā)明屬于國(guó)內(nèi)首例MEMS器件發(fā)明。
本發(fā)明的效果設(shè)置熱源的交變頻率，使加熱絲產(chǎn)生加熱過(guò)程，氣體開始熱膨脹，此時(shí)通過(guò)電阻電橋檢測(cè)四個(gè)熱敏絲之間的溫差，由前面的公式可以求出角速度ω。由于利用熱膨脹產(chǎn)生速度V，該速度受有限熱源交變頻率的限制，速度只能達(dá)到毫米/秒根據(jù)已有的熱對(duì)流式加速度計(jì)(體積僅占毫米立方)的靈敏度為毫g，則角速度的靈敏度為百度/秒；根據(jù)成熟技術(shù)熱對(duì)流加速度計(jì)的有效量程為10g，熱流式微陀螺的有效檢測(cè)量程為百萬(wàn)度/秒。如果進(jìn)一步提高熱敏檢測(cè)的靈敏度和量程，可以相應(yīng)提高微型熱流陀螺的靈敏度和量程。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為已有的微機(jī)械振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的微型熱流陀螺實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖，其中，a為主剖視圖，b為的俯視圖；圖3為本發(fā)明的微型熱流陀螺檢測(cè)電路實(shí)施例一原理圖；圖4為本發(fā)明的微型熱流陀螺檢測(cè)電路實(shí)施例二原理圖；圖5為本發(fā)明的微型熱流陀螺實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖，其中，a為主剖視圖，b為的俯視圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的二種微型熱流陀螺實(shí)施例，其結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)合各附圖詳細(xì)說(shuō)明如下實(shí)施例一為采用加熱絲的微陀螺，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
本實(shí)施例選用半導(dǎo)體硅材料10，主要采用半導(dǎo)體平面工藝和正面體硅工藝制作。其結(jié)構(gòu)由硅腔體、加熱絲和相互對(duì)稱的四個(gè)溫度傳感器(熱敏絲)構(gòu)成，加熱絲和熱敏絲懸在硅腔體內(nèi)上面，再用玻璃將加熱絲和熱敏絲封閉在腔體內(nèi)。
其工作原理為加熱絲11受到電壓調(diào)制，進(jìn)行交變加熱。在加熱半周期內(nèi)，加熱絲11使其周圍的氣體(腔體12中位于加熱絲11兩面的氣體)溫度升高、密度減小，氣體呈現(xiàn)熱膨脹；在非加熱半周期內(nèi)，氣體為達(dá)到密度平衡呈現(xiàn)反向的收縮現(xiàn)象；因而，無(wú)論是膨脹、還是收縮，加熱絲兩邊的氣體均分別向X軸正方向和負(fù)方向流動(dòng)，流動(dòng)速度大小相等、符號(hào)相反。僅取加熱半周期的熱膨脹，在熱膨脹的前提下來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理。此時(shí)，半腔體13中氣體有沿X軸正方向的運(yùn)動(dòng)線速度V，半腔體14中氣體有沿X軸負(fù)方向的運(yùn)動(dòng)線速度-V，當(dāng)有沿Y軸方向的角速度ω存在時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生沿Z軸方向的絕對(duì)加速度aa1=a0+V2r+rω2-2ωV]]>半腔體3中氣體加速度a2=a0+V2r+rω2+2ωV]]>半腔體4中氣體加速度其中a0為沿X軸方向的牽連線加速度，V為氣體的熱膨脹速度，r為角速度ω的旋轉(zhuǎn)軸心與加熱絲之間的距離，等式右邊第四項(xiàng)2ωV為哥氏加速度。氣流在加速度的作用下沿X軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得四個(gè)熱敏絲之間的溫度產(chǎn)生差異。熱敏絲采用熱敏電阻，可以與外接參考電阻構(gòu)成電阻電橋(如圖3、圖4所示)。設(shè)熱敏絲15上測(cè)得的溫度為T5(對(duì)應(yīng)電阻R5)，熱敏絲16上測(cè)得的溫度為T6(R6)，熱敏絲17上測(cè)得的溫度為T7(R7)，熱敏絲18上測(cè)得的溫度為T8(R8)。以下為信號(hào)處理方法第一步測(cè)得熱敏絲15和熱敏絲17之間的溫差(通過(guò)電阻電橋由電橋的輸出電壓信號(hào)反映溫差)，設(shè)ΔT1＝T7－T5；以及熱敏絲16和熱敏絲18之間的溫差(檢測(cè)原理同上)，設(shè)ΔT2＝T8－T6；第二步由于在半腔體13中的兩熱敏絲之間的溫差ΔT1與加速度a1成正比，即ΔT1＝K·a1同樣，半腔體14中的兩熱敏絲之間的溫差ΔT2與加速度a2成正比，即ΔT2＝K·a2將兩溫差再求差，得；ΔT2－ΔT1＝K·(a2－a1)＝K·4ωV＝K′ωV由于K′為預(yù)知常數(shù)，V為可控、可測(cè)值(通過(guò)調(diào)節(jié)加熱絲交變頻率)，因而待測(cè)角速度ω為 實(shí)施例二為采用激振硅片的微陀螺，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。本實(shí)施例結(jié)構(gòu)是用兩片激振硅片替代實(shí)施例一中的加熱絲，其它部分均與實(shí)施例一相同。本實(shí)施例為提高熱流的速度V，采用兩片硅片作為激振源，對(duì)兩片硅片21a和21b通高頻的交變電流，利用兩導(dǎo)電片產(chǎn)生的磁推力使導(dǎo)電片分別產(chǎn)生周期性的向外突起，從而推動(dòng)氣體沿X軸正向和負(fù)向移動(dòng)；兩激振硅片的驅(qū)動(dòng)也可以采用靜電驅(qū)動(dòng)方式，由兩硅片形成電容的兩極，通過(guò)交變充放電，使得激振硅片產(chǎn)生周期性的振動(dòng)，從而推動(dòng)氣體移動(dòng)。半腔體23中氣體沿X軸正方向的運(yùn)動(dòng)線速度為V，半腔體24中氣體沿X軸負(fù)方向的運(yùn)動(dòng)線速度為-V，陀螺效應(yīng)及檢測(cè)原理同上。該激振驅(qū)動(dòng)可以使氣體運(yùn)動(dòng)速度提高到1m/s，由此陀螺(即角速度)的靈敏度可達(dá)到0.15度/秒，有效檢測(cè)量程為十萬(wàn)度/秒。如果再進(jìn)一步提高熱敏檢測(cè)的靈敏度和量程，可以相應(yīng)提高微型熱流陀螺的靈敏度和量程。
本發(fā)明的檢測(cè)電路可以采用兩種實(shí)施方案實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)為兩熱敏電阻R5和R7與參考電阻Ro組成電阻電橋B1，R5與R7之間的差動(dòng)電阻信號(hào)通過(guò)差動(dòng)放大器U1(MAX4199)得到；兩熱敏電阻R6和R8與參考電阻Ro組成電阻電橋B2，R6與R8之間的差動(dòng)電阻信號(hào)通過(guò)差動(dòng)放大器U2(MAX4199)得到；R5、R7的差動(dòng)和R6、R8的差動(dòng)之間的二次差動(dòng)信號(hào)通過(guò)差動(dòng)放大器U3(MAX4199)得到；經(jīng)過(guò)相敏解調(diào)器U4(AD630)將陀螺信號(hào)(即角速度信號(hào))從交變的熱源(或振動(dòng)源)信號(hào)中解調(diào)出來(lái)，再經(jīng)過(guò)低通濾波器U5(MAX263)消除信號(hào)中的高頻干擾，由直流放大器U6(0P07)將信號(hào)放大并輸出。實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)為高頻信號(hào)源D1分別通過(guò)同相放大器D2(OP07)、D4(OP07)，經(jīng)熱敏電阻R5、R6產(chǎn)生熱敏電阻R5、R6的正向信號(hào)；D1分別通過(guò)反相放大器D3(OP07)、D5(OP07)，經(jīng)熱敏電阻R7、R8產(chǎn)生熱敏電阻R7、R8的反向信號(hào)；R5、R7之間的差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器D6(LF353)放大，R6、R8之間的差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器D7(LF353)放大；R5、R7之間的差動(dòng)信號(hào)與R6、R8之間的差動(dòng)信號(hào)再經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器D8(MAX4198)進(jìn)行二次差分，由后續(xù)的相敏解調(diào)器D9(AD630)將陀螺信號(hào)(即角速度信號(hào))從交變熱源(或振動(dòng)源)信號(hào)以及高頻載波信號(hào)源D1中解調(diào)出來(lái)，通過(guò)低頻濾波器D10(MAX263)消除高頻干擾，經(jīng)過(guò)直流放大器D11(OP07)將信號(hào)放大輸出。
權(quán)利要求
1.一種微型熱流陀螺，其特征在于，由封閉的半導(dǎo)體硅腔體、一根加熱絲和位于該加熱絲兩側(cè)相互對(duì)稱的四根熱敏絲，以及與該熱敏絲相連的檢測(cè)電路構(gòu)成；所說(shuō)的加熱絲和熱敏絲懸固在硅腔體內(nèi)上面。
2.一種微型熱流陀螺，其特征在于，由封閉的半導(dǎo)體硅腔體、兩片激振硅片和位于該激振硅片兩側(cè)相互對(duì)稱的四根熱敏絲，以及與該熱敏絲相連的檢測(cè)電路構(gòu)成；所說(shuō)的加熱絲和熱敏絲懸固在硅腔體內(nèi)上面。
3.如權(quán)利要求1和2所述的微型熱流陀螺，其特征在于，所說(shuō)的檢測(cè)電路包括所說(shuō)的兩熱敏電阻與兩參考電阻組成一電阻電橋，每個(gè)電阻電橋中的兩熱敏電阻之間、兩參考電阻之間與一級(jí)差動(dòng)放大器相連；兩個(gè)一級(jí)差動(dòng)放大器的輸出端與一個(gè)二級(jí)差動(dòng)放大器的輸入端相連；該二級(jí)差動(dòng)放大器的輸出端與一個(gè)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(gè)低通濾波器的輸入端相連，該低通濾波器的輸出端與一個(gè)直流放大器的輸入端相連。
4.如權(quán)利要求1和2所述的微型熱流陀螺，其特征在于，所說(shuō)的檢測(cè)電路還可包括所說(shuō)的兩對(duì)熱敏電阻中的一個(gè)熱敏電阻的一端分別與一同相放大器的輸出端相連，另一個(gè)熱敏電阻的一端分別與一反相放大器的輸出端相連，所說(shuō)的兩個(gè)同相放大器和兩個(gè)反相放大器的輸入端接入一高頻信號(hào)源，所說(shuō)的兩對(duì)熱敏電阻的另一端分別與一前置放大器的輸入端相連，兩前置放大器的輸出端與一差動(dòng)放大器的輸入端相連，差動(dòng)放大器的輸出端與一個(gè)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(gè)低通濾波器的輸入端相連，該低通濾波器的輸出端與一個(gè)直流放大器的輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明屬于微型測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域,由封閉的半導(dǎo)體硅腔體、一根加熱絲或兩片激振硅片和位于其兩側(cè)相互對(duì)稱的四根熱敏絲,以及與該熱敏絲相連的檢測(cè)電路構(gòu)成;所說(shuō)的加熱絲或激振硅片和熱敏絲懸固在硅腔體上面。本發(fā)明為具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)活動(dòng)部件、可以基本利用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作的微機(jī)電系統(tǒng),并有較高的可靠性和產(chǎn)品合格率,可以充分發(fā)揮微系統(tǒng)可大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C19/58GK1326092SQ01129700
公開日2001年12月12日 申請(qǐng)日期2001年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者丁衡高, 朱榮, 楊擁軍 申請(qǐng)人:丁衡高, 朱榮, 楊擁軍