一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法。该MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，MEMS芯片通过PCB基板与密封腔体外的检测电路电连接；MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，检测腔的正上方悬挂有加热元件，检测腔的边缘设置有相对加热元件呈中心对称的多组热敏组件，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。本发明专利技术通过将热敏元件的两端设置为自由端，使得热敏元件在通电工作后，可以充分释放热应力，降低压阻效应的影响，提高MEMS三轴惯性传感器的线性度和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及惯性测量
，特别涉及一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)是采用硅基半导体工艺来制作微型机械的一项前沿技术。MEMS技术与陀螺技术结合，产生了许多新原理的微陀螺。其中MEMS流体陀螺越来越受到MEMS陀螺研究者的关注。MEMS流体陀螺采用流体(多为气体)作为工作介质，无需振动质量块或者其他运动部件，因而克服了MEMS振动式陀螺抗冲击差、结构易疲劳及存在滑/压膜阻尼等问题。MEMS流体陀螺主要包括基于强迫对流的MEMS陀螺(又称为射流陀螺)、基于自然对流的MEMS陀螺以及基于热膨胀气流的MEMS陀螺。其中，基于热膨胀气流的MEMS陀螺属于一种新型流体陀螺，相比于射流陀螺，热膨胀气流陀螺无需射流微泵，因而具有结构简单、体积小、工艺简单的特点；相比于自然对流陀螺，热膨胀气流陀螺无需重力环境即可正常工作，因此可避免Z轴加速度对陀螺灵敏度的影响。但现有热膨胀气流陀螺由于结构的限制，如热敏元件的两端固定设置，热敏元件工作过程中产生的热应力无法充分释放，导致热阻效应明显，影响了热膨胀气流陀螺的线性度和灵敏度。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器及其加工方法，以解决现有热膨胀气流陀螺的热敏元件无法充分释放热应力，导致热阻效应明显的问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术实施例提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，MEMS芯片通过PCB基板与密封腔体外的检测电路电连接；MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，检测腔的正上方悬挂有加热元件，检测腔的边缘设置有相对加热元件呈中心对称的多组热敏组件，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。本专利技术该实施例的有益效果是：通过将热敏元件的两端设置为自由端，使得热敏元件在通电工作后，可以充分释放热应力，降低压阻效应的影响，提高MEMS三轴惯性传感器的线性度和灵敏度。另一方面，本专利技术实施例还提供了一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的加工方法，该方法包括：刻蚀SOI材料的基底层和埋氧层的中心位置，得到贯穿基底层和埋氧层的检测腔；刻蚀SOI材料的器件层，得到悬挂在检测腔的正上方的加热元件和相对所述加热元件呈中心对称、且位于检测腔的边缘的多组热敏组件，其中，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端可自由伸缩；在SOI材料的基底层粘贴PCB基板，并在PCB基板上罩扣上盖，上盖与PCB基板围成密封所述SOI材料的密封腔体，形成基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器。本专利技术该实施例的有益效果是：利用MEMSSOI标准工艺加工制作MEMS三轴惯性传感器的MEMS芯片，在得到MEMS芯片后，利用上盖和PCB基板对MEMS芯片进行封装，形成基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器；本专利技术实施具有加工工艺简单、加工得到的MEMS三轴惯性传感器具有尺寸小、成本低的优点。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的剖面示意图；图2为本专利技术实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的MEMS芯片结构示意图；图3为图2的主视图；图4为热敏元件的局部放大图；图5为本专利技术实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的加工方法流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。针对现有技术中，由于MEMS三轴惯性传感器的结构限制导致热敏元件产生的热应力无法充分释放的问题，本实施例提供了一种结构改进的MEMS三轴惯性传感器。在本实施例中，基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，MEMS芯片通过PCB基板与密封腔体外的检测电路电连接，MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，检测腔的正上方悬挂有加热元件，检测腔的边缘设置有相对加热元件呈中心对称的多组热敏组件，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。其中，热敏元件的两端为自由端可以理解为：热敏元件的两端悬空，既未固定设置在MEMS芯片上，也未固定设置其他部件上。图1为本专利技术实施例提供的基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器的剖面示意图，如图1所示，上盖35和PCB基板34围成的密封腔体将检测腔2中的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统。在该密封腔体内，MEMS芯片1可采用粘片工艺(DieBond)粘结在PCB基板34上，MEMS芯片1的焊盘可采用打线工艺(WireBond)进行打线连接，实现MEMS芯片1上的焊盘与PCB基板34上对应焊盘的电连接，PCB基板34与密封腔体外的检测电路电连接，借助PCB基本实现MEMS三轴惯性传感器的电气连接。本实施例通过将热敏元件的两端设置为自由端，使得热敏元件在通电工作后，可以充分释放热应力，降低压阻效应的影响，提高MEMS三轴惯性传感器的线性度和灵敏度。在本实施例的一个实现方案中，热敏元件为T型热敏元件，其中T型热敏元件的短边相对检测腔悬空，T型热敏元件的短边作为热敏元件的主体，用于感应检测腔内气体温度的变化，并生成相应的热阻值；T型热敏元件的长边连接到MEMS芯片的信号焊盘，一方面通过热敏元件的长边将热敏元件短边悬空于检测腔的上方，另一方面通过热敏元件的长边将生成的热阻值通过MEMS芯片上的信号焊盘发送给PCB基板，再通过PCB基板将来自热敏元件的热阻值转发给检测电路，使检测电路依据接收到的热敏元件的热阻值同时检测外界施加的Z角速度和X、Y轴加速度。本实施方案通过将热敏元件设置为T型结构，并悬空热敏元件的主体部分，借助热敏元件的这种力学结构特征，充分释放热应力，减小压阻效应。在本实施例的一个实现方案中，检测腔包括十字型检测区域，十字型检测区域的四个方向臂的根部各设置一组热敏组件，四组热敏组件中的每个T型热敏元件在同一平面，且每个T型热敏元件到十字型检测区域的中央位置距离相同。参考图2所示，图2中检测腔2即为十字型检测区域，为便于说明，本实施例定义检测腔2的高度方向为Z向，十字型检测区域的十字型方向臂所在的方向分别为X向和Y向。在设计过程中，也可以将检测腔设置为圆形、方形或其他规则形状，对此本实施例不做具体限定。参考图3，在十字型检测区域X向的两个方向臂根部，分别对称设置T型热敏元件4、5和T型热敏元件6、7，在十字型检测区域Y向的两个方向臂根部，分别对称设置T型热敏元件8、9和T型热敏元件10、11；其中，T型热敏元件4和T型热敏元件6相向设置，T型热敏元件4和T型热敏元件7相对加热元件3中心对称设置，T型热敏元件5和T型热敏元件7相向设置，T型热敏元件5和T型热敏元件6相对加热元件3中心对称设置，T型热敏元件8和T型热敏元件10相向设置，T型热敏元件8和T型热敏元件11相对加热元件3中心对称设置，T型热敏元件9和T型热敏元件11相向设置，T型热敏元件9和T型热敏元件10相对加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，所述密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，所述MEMS芯片通过所述PCB基板与所述密封腔体外的检测电路电连接；所述MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，所述检测腔的正上方悬挂有加热元件，所述检测腔的边缘设置有相对所述加热元件呈中心对称的多组热敏组件，其特征在于，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。

【技术特征摘要】
1.一种基于热膨胀气流的MEMS三轴惯性传感器，包括：由上盖和PCB基板围成的密封腔体，所述密封腔体内的PCB基板上设置有MEMS芯片，所述MEMS芯片通过所述PCB基板与所述密封腔体外的检测电路电连接；所述MEMS芯片的中心位置处设置有检测腔，所述检测腔的正上方悬挂有加热元件，所述检测腔的边缘设置有相对所述加热元件呈中心对称的多组热敏组件，其特征在于，每组热敏组件包括对称设置的两个热敏元件，每个热敏元件的两端为自由端。2.根据权利要求1所述的MEMS三轴惯性传感器，其特征在于，所述热敏元件为T型热敏元件，所述T型热敏元件的短边相对所述检测腔悬空，所述T型热敏元件的长边连接到所述MEMS芯片的信号焊盘。3.根据权利要求2所述的MEMS三轴惯性传感器，其特征在于，所述检测腔包括十字型检测区域，所述十字型检测区域的四个方向臂的根部各设置一组所述热敏组件；四组热敏组件中的每个T型热敏元件所在同一平面，且每个T型热敏元件到所述十字型检测区域的中央位置距离相同。4.根据权利要求3所述的MEMS三轴惯性传感器，其特征在于，所述检测电路包括热阻检测电路、Z轴角速度检测支路、X轴加速度检测支路和Y轴加速度检测支路，其中所述检测腔的高度方向为Z向，十字型检测区域的十字型方向臂所在的方向分别为X向和Y向；所述热阻检测电路，用于实时检测所述十字型检测区域内四组热敏组件中每个T型热敏元件的热阻值，并发送给所述Z轴角速度检测支路、X轴加速度检测支路和Y轴加速度检测支路；所述Z轴角速度检测支路，用于计算每组热敏组件中两个T型热敏元件的热阻差值，并根据所得到的四个热阻差值的和检测Z轴角速度；所述X轴加速度检测支路，用于计算X向方向臂内相向设置的不同组中两个T型热敏元件的热阻差值，以及计算Y向方向臂内每组热敏组件中两个T型热敏元件的热阻差值，并根据所得到的四个热阻差值的和检测X轴加速度；所述Y轴加速度检测支路，用于计算Y向方向臂内相向设置的不同组中两个T型热敏元件的热阻差值，以及计算X向方向臂内每组热敏组件中两个T型热敏元件的热...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩向辉，
申请(专利权)人：歌尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37