微机械开放气流式Z轴角速度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，该开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，通过层状的角速度芯片结构形成开放式的气流网络结构，气流网络包括压电陶瓷振子下面的泵腔、入口室和出口敏感室；上硅板的导流孔的横截面积大于泵腔腔口的横截面积但小于合流口的横截面积；PCB电路板的压电泵驱动电路向上盖板上的压电陶瓷振子提供激励电压，出口敏感室中下硅板表面设置一对长的平行热线分别作为PCB电路板中惠斯登电桥的两个臂。本发明专利技术出口敏感室内的热线较长，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于利用哥氏力原理进行运动体角速度姿态测量的
，特别是属于通过高精度激光切割成型和微机械工艺相结合制作的微型气流角速度传感器
用于无人机、可穿戴式设备、头盔、智能机器人、摄像机等微型载体的稳定系统。
技术介绍
现有技术中以微机械振动陀螺为代表的微型角速度传感器敏感元件内一般有振动梁和悬挂装置，在大冲击或强振动时，会因惯性力过大而造成损坏，因此抗冲击能力弱；它的结构和制作工艺复杂，敏感元件不易驱动起来，导致传感器输出信号微弱。射流角速度传感器是利用哥氏力使气流束偏转来实现角参数的测量，它的特点是以气体作为敏感质量，没有复杂的结构，因此有抗高过载、耐强冲击、成本低、寿命长等优点。中国专利89105999.7提出的高灵敏度压电射流角速度传感器，它由敏感器件的壳体、喷嘴体、敏感元件、压电泵、泵座、碟簧、锁紧螺母和外部电路系统以及机械系统组成，这种一维角速度传感器的敏感元件是用铜、铝或不锈钢等材料利用传统机械加工制作，敏感元件体积大，功率高，不能用于微型载体姿态测量和控制领域，它的热线是手工焊接，很难保证热线的平行度和垂直度，因此交叉耦合大，一致性差，很难批量生产，成本高。现有技术中利用MEMS工艺在一个硅片中腐蚀出气流网络，气流网络的尺度通常小于硅片厚度的一半，由于硅片的厚度只有300μm左右，因此气流网络的气体容量少，在相同角速度输入时它受到的惯性小，气流束偏转小，角速度传感器的灵敏度很小；另外由于设计的欠缺，气流网络是沿着硅片的表面制作，为了保证压电泵振子的变形方向(振动方向)与气流网络的长度方向一致，驱动气体流动的压电泵一般安装在与硅片表面垂直的硅片截面处，压电泵振子的有效变形面积与气流网络的截面积相对应，通常小于硅片的截面积，由于硅片的截面积与表面积比较两者相差悬殊，与其对应的压电泵振子的尺寸一般小于1mm×1mm，因此它的驱动气体流动的能力很弱，角速度传感器灵敏度低，同时在实际工艺中很难实现粘接，无法实用化和批量生产。
技术实现思路
针对现有技术中射流角速度传感器所存在的问题，本专利技术提供一种新型的微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器(Z轴角速度传感器是指角速度敏感轴垂直于角速度芯片表面的角速度传感器)，采用层状的角速度芯片结构形成开放式的气流网络结构，能够提高气流角速度传感器的灵敏度，并大幅减小体积和功耗；设置较长的热线，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，实用性强。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述缓冲硅胶片、开放式Z轴角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板依次装在底座上，扣上外壳密封，电源和信号经底座上玻璃灌装的引线引出，所述开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，其中：上盖板设有第一孔，该第一孔上设有压电陶瓷振子；上硅板在与上盖板对应的位置设有同样尺寸的第二孔，并设有分别作为上入口通道和上出口通道的两个长孔，上入口通道的长度方向与上出口通道的长度方向垂直；上入口通道在靠近第二孔的一侧与第二孔相通，形成上合流孔；上入口通道与上出口通道相通，形成导流孔；下硅板设有与上入口通道和上出口通道同样尺寸的两个长孔，分别为下入口通道和下出口通道，下入口通道不与下出口通道相通，下出口通道在与上合流孔相对应的位置形成下合流孔；在下出口通道的下硅板表面设有敏感z方向角速度的一对平行热线；底板开有两个进口和一个出口，两个进口与下入口通道的两端对应，出口与下出口通道的末端对应；上盖板、上硅板、下硅板和底板合围形成气流网络，包括压电陶瓷振子下面的泵腔，以及由上入口通道、上出口通道、下入口通道、下出口通道合围而成的入口室和出口敏感室，泵腔在与入口室的相接处形成腔口，入口室的上合流孔、下合流孔形成合流口，上硅板的导流孔的横截面积大于该腔口的横截面积但小于该合流口的横截面积；PCB电路板设有电源、压电泵驱动电路和一个惠斯登电桥，压电泵驱动电路向上盖板上的压电陶瓷振子提供激励电压，下硅板上的一对平行热线分别作为惠斯登电桥的两个臂。进一步地，所述上盖板和所述底板的材料为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)板。进一步地，所述第一孔和第二孔为圆孔，所述压电陶瓷振子为圆形。进一步地，上入口通道的长度为上出口通道的长度的2倍，上出口通道的宽度为上入口通道宽度的3倍；上出口通道的宽度为上硅板宽度的1/4。进一步地，敏感z方向角速度的一对平行热线分别设置在距离下出口通道始端1/3出口通道长度处的上硅板的表面，并与下出口通道的轴线平行，热线长度为下出口通道的3/5。进一步地，上盖板、上硅板、下硅板和底板之间粘接。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1.以气体作为敏感质量，抗高过载、耐强冲击。2.体积和功耗是现有技术的1/80，应用领域广阔。3.开放式的气流网络结构简单，层状敏感元件结构，工艺实现容易，气流角速度传感器的成本低、一致性好。4.不仅实现了压电泵振子尺寸的最大化，而且气流网络的横截面的是现有技术横截面的2～3倍，气流角速度传感器灵敏度高。5.出口敏感室内的热线较长，电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，灵敏度高，实用性强。附图说明图1是微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器三维结构示意图。图2是开放式Z轴角速度芯片分段示意图。图3是微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器工作原理图。图4是信号处理电路示意图。图5是惠斯登电桥示意图。图6是微机械开放气流式Z轴气流角速度传感器灵敏度曲线图。图中标号说明：1-开放式Z轴角速度芯片；2-PCB电路板；3-底座；4-外壳；5-缓冲硅胶片；6-引线；7-上盖板；8-上硅板；9-下硅板；10-底板；11-压电陶瓷振子；12a、12b-圆孔；13-台阶；14a、14b-上入口通道；15-上出口通道；16-上合流孔；17-腔口；18-导流孔；19-喷口；20a、20b-下入口通道；21-下出口通道；22-下合流孔；23a和23b-一对平行热线；24a、24b-两个进口；25-出口；26-圆柱形泵腔；27a、27b-入口室；28-出口敏感室；29-合流口；30-压电泵驱动电路；31-惠斯登电桥；32-气流。具体实施方式本专利技术为了减小射流角速度传感器的体积、增大灵敏度、降低成本，提出一种体积小、结构简单、抗高冲击的微机械开放气流式Z轴角速度传感器，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行进一步说明。实施例1：图1是本实施例的微机械开放气流式Z轴角速度传感器三维结构示意图。如该图所示，该微机械开放气流式Z轴角速度传感器由开放式Z轴角速度芯片1、PCB电路板2、底座3、外壳4、缓冲硅胶片5、引线6组成，缓冲硅胶片5、开放式Z轴角速度芯片1和与其实现电气连接的PCB电路板2依次装在底座上3，扣上外壳4密封，电源和信号经底座3上玻璃灌装的引线6引出。图2是开放式Z轴角速度芯片1的分段示意图。如该图所示，开放式Z轴角速度芯片1包括上盖板7、上硅板8、下硅板9和底板10，具体来说，是由含一个压电陶瓷振子11的上盖板7、含气流网络的上硅板8、表面有热线的下硅板9和底板10等四层长方形平板粘接而成。本实施例中，上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述缓冲硅胶片、开放式Z轴角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板依次装在底座上，扣上外壳密封，电源和信号经底座上玻璃灌装的引线引出，所述开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，其中：上盖板设有第一孔，该第一孔上设有压电陶瓷振子；上硅板在与上盖板对应的位置设有同样尺寸的第二孔，并设有分别作为上入口通道和上出口通道的两个长孔，上入口通道的长度方向与上出口通道的长度方向垂直；上入口通道在靠近第二孔的一侧与第二孔相通，形成上合流孔；上入口通道与上出口通道相通，形成导流孔；下硅板设有与上入口通道和上出口通道同样尺寸的两个长孔，分别为下入口通道和下出口通道，下入口通道不与下出口通道相通，下出口通道在与上合流孔相对应的位置形成下合流孔；在下出口通道的下硅板表而设有敏感z方向角速度的一对平行热线；底板开有两个进口和一个出口，两个进口与下入口通道的两端对应，出口与下出口通道的末端对应；上盖板、上硅板、下硅板和底板合围形成气流网络，包括压电陶瓷振子下面的泵腔，以及由上入口通道、上出口通道、下入口通道、下出口通道合围而成的入口室和出口敏感室，泵腔在与入口室的相接处形成腔口，入口室的上合流孔、下合流孔形成合流口，上硅板的导流孔的横截面积大于该腔口的横截面积但小于该合流口的横截面积；PCB电路板设有电源、压电泵驱动电路和一个惠斯登电桥，压电泵驱动电路向上盖板上的压电陶瓷振子提供激励电压，下硅板上的一对平行热线分别作为惠斯登电桥的两个臂。...

【技术特征摘要】
1.一种微机械开放气流式Z轴角速度传感器，其特征在于，由开放式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述缓冲硅胶片、开放式Z轴角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板依次装在底座上，扣上外壳密封，电源和信号经底座上玻璃灌装的引线引出，所述开放式Z轴角速度芯片包括上盖板、上硅板、下硅板和底板，其中：上盖板设有第一孔，该第一孔上设有压电陶瓷振子；上硅板在与上盖板对应的位置设有同样尺寸的第二孔，并设有分别作为上入口通道和上出口通道的两个长孔，上入口通道的长度方向与上出口通道的长度方向垂直；上入口通道在靠近第二孔的一侧与第二孔相通，形成上合流孔；上入口通道与上出口通道相通，形成导流孔；下硅板设有与上入口通道和上出口通道同样尺寸的两个长孔，分别为下入口通道和下出口通道，下入口通道不与下出口通道相通，下出口通道在与上合流孔相对应的位置形成下合流孔；在下出口通道的下硅板表而设有敏感z方向角速度的一对平行热线；底板开有两个进口和一个出口，两个进口与下入口通道的两端对应，出口与下出口通道的末端对应；上盖板、上硅板、下硅板和底板合围形成气流网络，包括压电陶瓷振子下面的泵腔，以及由上入口通道、上出口通道、下入口通道、下出口通道合围而成的入口室和出口敏感室，泵腔在与入口室的相接处形成腔口，入口室的上合...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴林华，朴然，田文杰，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11