一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺及其加工方法，属于惯性测量领域。该陀螺主要包括上密封层、下基底层、中间检测层；所述中间检测层上有“十”字检测腔及位于检测腔内的金属电阻桥加热元件和金属电阻桥热敏元件。本发明专利技术提出的基于热膨胀流的MEMS陀螺，采用阶梯结构的检测层、“十”字型检测腔以及悬空的金属电阻桥，可实现空间三轴角速度的同时测量，具有很高的集成度，并且可消除Z轴加速度输入对角速度信号测量的干扰，因此实现了基于热膨胀流的MEMS陀螺的多自由度测量。另外，该微陀螺的检测层、基底层以及“十字”检测腔可采用MEMS硅微加工工艺形成，因此还具有尺寸小、功耗低及成本低等优点。

MEMS three axis gyroscope based on thermal expansion flow and processing method thereof

The invention discloses a MEMS three axis gyroscope based on a thermal expansion flow and a processing method thereof, belonging to the field of inertial measurement. The gyro includes sealing layer, a substrate layer, intermediate detection layer; the intermediate layer on the detection of \ten\ detection of cavities and the metal resistance heating element and metal resistance bridge bridge is located in the cavity of the sensitive element detection. MEMS gyro thermal expansion flow based on the present invention, the ladder structure detection layer, \ten\ type detection cavity and hanging metal resistance measurement can realize the space bridge, three axis angular velocity at the same time, with a high degree of integration, and can eliminate the interference of the angular velocity signal measurement Z axis acceleration input therefore, the multi degree of freedom measurement of thermal expansion of MEMS gyroscope based on stream. In addition, the detection layer, the base layer and the cross detection chamber of the micro gyroscope can be formed by the MEMS silicon micro processing technology, and therefore, the utility model has the advantages of small size, low power consumption and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺及其加工方法
本专利技术涉及一种基于热膨胀流检测空间三轴角速度的MEMS陀螺及其加工方法，属于惯性测量领域。
技术介绍
微机电系统（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技术与陀螺技术的结合，产生了许多新原理的微陀螺。其中，MEMS振动式陀螺是基于一个高频线振动或角振动的振子，利用科氏效应所产生的运动耦合来检测外界输入的角速度。在过去20多年的时间里，微机械振动式陀螺作为MEMS陀螺的一个重要发展方向，获得了长足发展，并成功应用于汽车电子和消费电子等领域。然而，MEMS振动式陀螺抗冲击性能较差，结构容易疲劳，且存在正交耦合误差等问题。最近十年来，MEMS流体陀螺越来越受到MEMS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，无需运动微质量块或者其他运动部件，因而克服了MEMS振动式陀螺抗冲击较差，结构容易疲劳等问题。MEMS流体陀螺主要包括基于强迫对流的MEMS陀螺（射流陀螺）、基于自然对流的MEMS陀螺以及基于热膨胀流的MEMS陀螺。其中基于热膨胀流的MEMS陀螺是最近几年刚提出的一种新型微陀螺，与射流陀螺相比，无需射流微泵，因而工艺实现起来更加简易；与基于自然对流的MEMS陀螺相比，无需工作在重力环境下，因而工作环境范围更加宽广。基于热膨胀流的MEMS陀螺的基本原理为：在密封腔体内，悬空的金属电阻丝通电发热，其周围的气体介质受热膨胀，形成运动的热膨胀流，该热膨胀流在运动过程中不断与周围的气体发生动量、能量和质量交换。当外界有垂直于热膨胀流运动方向的角速度输入时，由于科氏效应，运动的热膨胀流将发生偏转，造成流体温度场的变化，根据热电阻效应，此时相对于加热金属丝对称分布的一对热敏电阻或者电阻温度计将发生阻值相反的变化，通过相应的检测及处理电路，可实现对应角速度的检测。在申请号为201210130318.2的专利“一种微型热驱动气流陀螺及其制作方法”中，通过结构及电路设计，可以在密封的检测腔内形成一稳定的热膨胀流，但由于结构的限制，其只能检测一个自由度的角速度，集成度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是：利用基于热膨胀流的MEMS微陀螺所具有的优点，公开一种基于热膨胀流可同时检测空间三轴角速度的MEMS陀螺。到目前为止，基于热膨胀流的微陀螺几乎都限制于一轴角速度的测量，集成度低。本专利技术提出的基于热膨胀流的MEMS陀螺可实现空间三轴角速度的同时测量，并且可以大大减小Z轴加速度对陀螺灵敏度的影响。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，主要包括上密封层、下基底层、中间检测层；所述中间检测层上有“十”字检测腔及位于检测腔内的金属电阻桥加热元件和金属电阻桥热敏元件；上密封层和下基底层将“十”字检测腔的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统；“十”字检测腔高度与上密封层中凹槽的深度为总的腔体高度z，100μm≤z≤1000μm；定义检测腔的十字两臂方向分别为X，Y方向，检测腔的高度方向为Z向；四个金属电阻桥加热元件对称悬置于“十”字检测腔四臂的根部，且各金属电阻桥加热元件与相应的“十”字检测腔四臂垂直，即四个金属电阻桥加热元件为X或Y向；四个金属电阻桥加热元件的通电方式为周期性间歇性通电，即加热元件的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；金属电阻桥热敏元件包括检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件；检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件为两个，对称悬置于“十”字检测腔Y向两臂上，且与Y向臂垂直；检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件为两个，对称悬置于“十”字检测腔X向两臂上，且与X向臂垂直；检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件为八个。“十”字检测腔的四个十字臂末端两侧分别悬置一个金属电阻桥热敏元件，且与对应臂平行；金属电阻桥热敏元件的通电方式均为恒流电；四个金属电阻桥加热元件的悬置高度一致，均为z1；检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件的悬置高度一致，均为z2，必须满足：z1＜z2，即加热元件与热敏元件之间存在高度差，该高度差范围为50～100μm。工作时，“十”字检测腔四臂根部的四个金属电阻桥加热元件用于加热气体介质并促进气体流沿X轴或Y轴的定向运动。具体来说：在密封的检测腔内，四个金属电阻桥加热元件通电发热，其周围的气体介质受热膨胀，形成运动的热膨胀流，该热膨胀流在运动过程中不断与周围的气体发生动量、能量和质量交换。悬置“十”字检测腔X向臂两臂上的两个加热元件形成分别沿X轴正、负向运动的热气体膨胀流，悬置“十”字检测腔Y向臂两臂上的两个加热元件分别形成沿Y轴正、负向运动的热气体膨胀流；在“十”字底腔的四个末端，检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件共12个金属电阻桥用来检测外界角速度输入所带来的周围气体温度的变化。具体的说，当外界有Z轴角速度输入时，由于科氏效应，运动的热膨胀流发生相应偏转，每个十字臂末端悬置的两个检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件之间的局部温度会产生差异，根据金属热电阻效应，每个十字臂末端的两个金属电阻桥之间将产生电阻阻值差，通过检测处理电路，便可检测到所产生的阻值差，进而可推算出外界Z轴角速度的大小；当外界有X轴角速度输入时，由于科氏效应，运动的热膨胀流发生相应的偏转，两个检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件之间局部温度会产生差异，根据金属的热电阻效应，两个金属电阻桥之间将产生电阻阻值差，通过检测处理电路，便可检测到所产生的阻值差，进而可推算出外界X轴角速度的大小；当外界有Y轴角速度输入时，由于科氏效应，运动的热膨胀流发生相应的偏转，两个检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件之间局部温度会产生差异，根据金属的热电阻效应，两个金属电阻桥之间将产生电阻阻值差，通过检测处理电路，便可检测到所产生的阻值差，进而可推算出外界Y轴角速度的大小。本专利技术所提出的基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，可以利用MEMS工艺在硅基材料上加工而成，其加工方法包括如下步骤：步骤一：在硅基材料上刻蚀出检测层的阶梯结构，以悬置不同高度的金属电阻桥加热元件和金属电阻桥热敏元件；步骤二：在硅基材料上制备金属电阻桥，形成加热元件与热敏元件；步骤三：继续在硅基材料上刻蚀出陀螺的“十”字检测腔，刻蚀时，不刻透硅基材料，余留一定厚度作为下基底层，从而完成检测腔的制备与金属电阻桥的悬空；步骤四：在另一硅基材料上利用刻蚀技术加工出陀螺的上密封层；步骤五：通过键合工艺，将上密封层与检测层进行粘合，实现检测腔体的密封；步骤六：对加工出来的结构进行封装，形成基于热膨胀流的MEMS陀螺。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，采用阶梯结构的检测层、“十”字型检测腔以及悬空的金属电阻桥，并配合相应的信号检测处理电路，可实现空间三轴角速度的同时测量，并且可消除Z轴加速度输入对角速度信号测量的干扰。因此实现了基于热膨胀流的MEMS陀螺的多自由度测量。相比申请号为201210130318.2的专利中所提出的单轴微型热驱动气流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，其特征在于：主要包括上密封层、下基底层、中间检测层；所述中间检测层上有“十”字检测腔及位于检测腔内的金属电阻桥加热元件和金属电阻桥热敏元件；上密封层和下基底层将“十”字检测腔的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统；“十字”检测腔高度与上密封层中凹槽的深度为总的腔体高度z，100μm≤z≤1000μm；定义检测腔的十字两臂方向分别为X，Y方向，检测腔的高度方向为Z向；四个金属电阻桥加热元件对称悬置于十字检测腔四臂的根部，且各金属电阻桥加热元件与相应的十字检测腔四臂垂直，即四个金属电阻桥加热元件为X或Y向；四个金属电阻桥加热元件的通电方式为周期性间歇性通电，即加热元件的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；金属电阻桥热敏元件包括检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件；检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件为两个，对称悬置于“十”字检测腔Y向两臂上，且与Y向臂垂直；检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件为两个，对称悬置于“十”字检测腔X向两臂上，且与X向臂垂直；检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件为八个；“十”字检测腔的四个十字臂末端两侧分别悬置一个金属电阻桥热敏元件，且与对应臂平行；金属电阻桥热敏元件的通电方式均为恒流电；四个金属电阻桥加热元件的悬置高度一致，均为z1；检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件的悬置高度一致，均为z2，必须满足：z1<z2，即加热元件与热敏元件之间存在高度差，且该高度差范围为50～100微米。...

【技术特征摘要】
1.一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，其特征在于：主要包括上密封层、下基底层、中间检测层；所述中间检测层上有“十”字检测腔及位于检测腔内的金属电阻桥加热元件和金属电阻桥热敏元件；上密封层和下基底层将“十”字检测腔的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统；“十字”检测腔高度与上密封层中凹槽的深度为总的腔体高度z，100μm≤z≤1000μm；定义检测腔的十字两臂方向分别为X，Y方向，检测腔的高度方向为Z向；四个金属电阻桥加热元件对称悬置于十字检测腔四臂的根部，且各金属电阻桥加热元件与相应的十字检测腔四臂垂直，即四个金属电阻桥加热元件为X或Y向；四个金属电阻桥加热元件的通电方式为周期性间歇性通电，即加热元件的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；金属电阻桥热敏元件包括检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件；检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件为两个，对称悬置于“十”字检测腔Y向两臂上，且与Y向臂垂直；检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件为两个，对称悬置于“十”字检测腔X向两臂上，且与X向臂垂直；检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件为八个；“十”字检测腔的四个十字臂末端两侧分别悬置一个金属电阻桥热敏元件，且与对应臂平行；金属电阻桥热敏元件的通电方式均为恒流电；四个金属电阻桥加热元件的悬置高度一致，均为z1；检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件、检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元...

【专利技术属性】
技术研发人员：常洪龙，巩向辉，王莎莎，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61