微型單循環(huán)氣流式平面雙軸pet角速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用哥氏力原理檢測(cè)運(yùn)動(dòng)體角速度姿態(tài)參數(shù)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及 一種微型單循環(huán)氣流式平面雙軸PET角速度傳感器。用于無人機(jī)、可穿戴式設(shè)備、頭盔、智 能機(jī)器人、攝像機(jī)等微型載體的穩(wěn)定系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中以微機(jī)械振動(dòng)角速度傳感器為代表的微型角速度傳感器的角速度芯 片內(nèi)一般設(shè)置有固體框架或梁，抗沖擊振動(dòng)能力差，而氣流式角速度傳感器以氣體作為敏 感質(zhì)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過哥氏力使氣流敏感體偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)角參數(shù)的測(cè)量，因此這種微型角速 度傳感器抗高過載、耐強(qiáng)沖擊、成本低。中國(guó)專利89105999. 7提出的高靈敏度壓電射流角 速度傳感器，它由敏感器件的殼體、噴嘴體、敏感元件、壓電栗、栗座、碟簧、鎖緊螺母和外部 電路系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)組成，這種一維角速度傳感器的敏感元件是用銅、鋁或不銹鋼等材 料利用傳統(tǒng)機(jī)械加工制作，敏感元件體積大，功率高，不能用于微型載體姿態(tài)測(cè)量和控制領(lǐng) 域；它的熱線是手工焊接，很難保證熱線的平行度和垂直度，因此交叉耦合大，一致性差，很 難批量生產(chǎn)，成本高；它只能敏感一個(gè)方向上的角速度，如構(gòu)成雙自由度角速度測(cè)量需要組 合安裝，而由安裝距離引起的誤差較大。在現(xiàn)有技術(shù)中利用MEMS工藝在硅片中腐蝕出氣流 網(wǎng)絡(luò)，但是工藝復(fù)雜，成本高，不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求；氣流網(wǎng)絡(luò)的尺度通常小于硅片厚度的一 半，由于硅片的厚度薄，只有300ym左右，因此氣流網(wǎng)絡(luò)的尺度很小，氣體容量少，在相同 角速度輸入時(shí)它受到的慣性小，氣流束偏轉(zhuǎn)小，角速度傳感器的靈敏度很小；壓電栗振子的 有效變形面積與氣流網(wǎng)絡(luò)的截面積一致，尺寸小，驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)的能力弱，氣流速度小，角 速度傳感器靈敏度低。另外，在現(xiàn)有技術(shù)中在硅片上制作的氣流網(wǎng)絡(luò)一般是開放式的，開口 和進(jìn)口與外界相同，易受外界環(huán)境影響，角速度傳感器穩(wěn)定性差，雖然成本低，但適用條件 苛刻，實(shí)用性不強(qiáng)。
[0003] 因此，如何克服上述問題成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種微型單循環(huán)氣流式平 面雙軸PET角速度傳感器（平面雙軸角速度傳感器是指兩個(gè)正交的角速度敏感軸x、y平行 于角速度芯片表面的角速度傳感器），該氣流式角速度傳感器以氣體作為敏感質(zhì)量，抗高過 載、耐強(qiáng)沖擊；制作成本低，僅為全硅結(jié)構(gòu)的1/10 ;采用密閉空間內(nèi)的單循環(huán)氣流作為角速 度氣流敏感體，角速度傳感器的穩(wěn)定性好，角速度傳感器靈敏度較大；能同時(shí)測(cè)量敏感軸平 行于角速度芯片表面的兩個(gè)正交（x、y)方向的角速度，兩個(gè)方向的靈敏度幾乎一致，雙軸 一體，便于信號(hào)的采集和控制，實(shí)用性強(qiáng)；敏感兩個(gè)方向角速度的循環(huán)氣流敏感體由一個(gè)壓 電陶瓷振子驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種微型單循環(huán)氣流式平面雙軸PET角速度傳感器，所述氣流式角速度傳感器由 單循環(huán)氣流式平面雙軸角速度芯片、PCB電路板、底座、外殼、緩沖硅膠片、引線組成，所述的 緩沖硅膠片、單循環(huán)氣流式平面雙軸角速度芯片和與其實(shí)現(xiàn)電氣連接的PCB電路板依次裝 在底座上，扣上外殼密封，電源和信號(hào)經(jīng)底座上玻璃灌裝的引線引出，所述單循環(huán)氣流式平 面雙軸角速度芯片包括PET蓋板、硅板和PET底座；其中，
[0006] 所述PET蓋板上設(shè)置有氣流回路；所述硅板上設(shè)置有雙自由度敏感熱線；所述PET 底座上設(shè)置有壓電陶瓷振子和氣流回路；PET蓋板、硅板和PET底座依次連接構(gòu)成所述單循 環(huán)氣流式平面雙軸角速度芯片。
[0007] 進(jìn)一步，所述PET底座的一側(cè)開設(shè)有一圓孔，所述圓孔的邊緣設(shè)置有高度小于PET 底座厚度的臺(tái)階，所述壓電陶瓷振子粘結(jié)在所述臺(tái)階上；PET底座的另一側(cè)設(shè)置有梯形栗 槽和若干個(gè)凹槽，所述栗槽的上部與所述圓孔的邊緣重合相切，栗槽的底部?jī)啥嗽O(shè)置有兩 個(gè)排氣槽，所述栗槽的底部下方設(shè)置有下儲(chǔ)氣槽，所述下儲(chǔ)氣槽與所述排氣槽連通；排氣槽 相對(duì)于下儲(chǔ)氣槽的對(duì)側(cè)設(shè)置有兩個(gè)長(zhǎng)方形的下導(dǎo)流槽，所述導(dǎo)流槽的長(zhǎng)度方向?yàn)镻ET底座 的長(zhǎng)度方向；下導(dǎo)流槽與下儲(chǔ)氣槽的交匯處設(shè)置有兩個(gè)下進(jìn)口槽；兩個(gè)下導(dǎo)流槽的末端設(shè) 置有兩個(gè)長(zhǎng)方形副敏感槽，所述副敏感槽的長(zhǎng)度方向?yàn)镻ET底座的寬度方向；兩個(gè)副敏感 槽相交后沿著PET底座的長(zhǎng)度方向開設(shè)有中心噴口槽，與所述中心噴口槽連通設(shè)置有主敏 感槽，所述主敏感槽的與下儲(chǔ)氣槽連通。
[0008] 進(jìn)一步，所述PET蓋板的正面與所述PET底座相對(duì)應(yīng)的一側(cè)開有深度一致的凹槽 組合，其形狀大小及位置完全與PET底座的下儲(chǔ)氣槽、下導(dǎo)流槽、副敏感槽、主敏感槽、下進(jìn) 口槽一致，分別為上儲(chǔ)氣槽，上導(dǎo)流槽、上副敏感槽和上主敏感槽、上進(jìn)口槽。
[0009] 進(jìn)一步，所述臺(tái)階的厚度為所述PET底座厚度的1/2。
[0010] 進(jìn)一步，所述下儲(chǔ)氣槽的深度比所述栗槽的深度淺；所述下導(dǎo)流槽的寬度比下儲(chǔ) 氣槽的寬度大，所述下導(dǎo)流槽的深度與栗槽的深度一致；所述下進(jìn)口槽的長(zhǎng)度與下儲(chǔ)氣槽 的寬度一致；所述副敏感槽的深度與下儲(chǔ)氣槽的深度一致；所述中心噴口槽的長(zhǎng)度與副敏 感槽的寬度一致，中心噴口槽的寬度大于其長(zhǎng)度，中心噴口槽的深度與下導(dǎo)流槽的深度一 致；主敏感槽的寬度為副敏感槽的2倍。
[0011] 進(jìn)一步，所述硅板的長(zhǎng)度為PET底座長(zhǎng)度的一半，寬度小于PET底座的寬度。
[0012] 進(jìn)一步，所述硅板上設(shè)置有兩對(duì)對(duì)敏感熱線，分別用于敏感X、Y兩個(gè)方向的角速 度，兩對(duì)敏感熱線均平行設(shè)置；敏感X方向角速度的一對(duì)敏感熱線分別設(shè)置在所述副敏感 槽的上方的硅板上，位于主敏感槽長(zhǎng)度方向的1/4處和3/4處；敏感Y方向角速度的一對(duì)敏 感熱線分別設(shè)置在所述主敏感槽上方的硅板上，該對(duì)敏感熱線的徑向與主敏感槽寬度方向 的軸線平行。
[0013] 進(jìn)一步，所述敏感熱線由高溫度系數(shù)的金屬鎢、Si02和Si構(gòu)成。
[0014] 進(jìn)一步，所述兩對(duì)敏感熱線分別作為所述PCB電路板中信號(hào)處理電路的兩個(gè)個(gè)惠 斯登電橋的兩個(gè)臂設(shè)置。
[0015] 進(jìn)一步，所述PET蓋板和PET底座均采用PET高精度激光切割成型加工工藝制作； 所述硅板采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝制作。
[0016] 本發(fā)明具有以下積極的技術(shù)效果：
[0017] (1)以氣體作為敏感質(zhì)量，抗高過載、耐強(qiáng)沖擊。
[0018] (2)除了熱線以外，均采用成本低且適合做微氣流網(wǎng)絡(luò)的PET薄板制作，成本低， 僅為全硅結(jié)構(gòu)的1/10。
[0019] (3)采用密閉空間內(nèi)的單循環(huán)氣流作為角速度氣流敏感體，角速度傳感器的穩(wěn)定 性好，角速度傳感器靈敏度較大。
[0020] (4)構(gòu)建了能敏感兩個(gè)方向角速度的循環(huán)氣流敏感體，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)方向較高靈敏 度的角速度測(cè)量，兩個(gè)方向的靈敏度幾乎一致，雙軸一體，便于信號(hào)的采集和控制，實(shí)用性 強(qiáng)。
[0021] (5)實(shí)現(xiàn)了壓電栗振子尺寸的最大化，氣流網(wǎng)絡(luò)的橫截面是現(xiàn)有技術(shù)橫截面的 5~10倍，氣流式角速度傳感器靈敏度高。
[0022] (6)能敏感兩個(gè)方向角速度的循環(huán)氣流，敏感體由一個(gè)壓電陶瓷振子驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，使用壽命長(zhǎng)。
【附圖說明】
[0023]圖1為本申請(qǐng)的微型單循環(huán)氣流式平面雙軸PET角速度傳感器立體圖；
[0024]圖2為本申請(qǐng)的單循環(huán)氣流式平面雙軸角速度芯片的拆分狀態(tài)立體圖；
[0025] 圖3(a)為本申請(qǐng)的PET底座正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3(b)為本申請(qǐng)的PET底座反面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖4(a)為本申請(qǐng)的PET蓋板正面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖4(b)為本申請(qǐng)的PET蓋板反面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5為本申請(qǐng)的單循環(huán)氣流式平面雙軸角速度芯片中硅板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖6為本申請(qǐng)的微型單循環(huán)氣流式平面雙軸PET角速度傳感器的工作原理圖；
[0031] 圖7為本申請(qǐng)的PCB板中信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖8為本申請(qǐng)的PCB板中惠斯登電橋的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖9為本中請(qǐng)的微型單循環(huán)氣流式平面雙軸PET角速度傳感器靈敏度曲線。
[0034] 圖中標(biāo)號(hào)說明：1-開放式Z軸角速度芯片；2-PCB電路板；3-底座；4-外殼；5-緩 沖硅膠片；6-引線；7-PMMA蓋板；8-硅板；9-PMMA底座；10-壓電陶瓷振子；11-圓孔； 12-臺(tái)階；13-栗槽；14a、14b_排氣槽；15-下儲(chǔ)氣槽；16a、16b_導(dǎo)流槽；17a、17b_下進(jìn)口 槽；18a、18b-副敏感槽；19-中心噴口槽；20-下主敏感槽；21-上儲(chǔ)氣槽；22a、22b-上導(dǎo)流 槽；23a、23b-上副敏感槽；24-上主敏感槽；25a、25b-上進(jìn)口槽；26a、26b-排氣孔；27-儲(chǔ) 氣孔；28a、28b-導(dǎo)流孔；29a、29b-副敏感孔；30-主敏感孔；31a、31b-進(jìn)口孔；32-中心噴 口孔；33a和33b、34a和34b-兩對(duì)平行熱