动热源摆式全方位微机械加速度计制造技术

本申请公开了一种动热源摆式全方位微机械加速度计，该加速度计包括基底层、敏感层和盖板，敏感层含有中间加热腔和中间检测腔，敏感层的上表面设置有全方位动热源摆加热器和四对热敏电阻；全方位动热源摆加热器通过六个完全对称的半圆形辐条悬置在敏感层的中心位置；加热器和热敏电阻的通电方式均为恒流电；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。本实用新型专利技术可实现加速度全方位的测量，灵敏度高，响应速度快，结构应力小、体积小、重量轻，可实现批量生产。同时它具有结构和加工工艺非常简单，成本极低，可靠性高，使得其与固体摆式微机械加速度计竞争中、低精度和低价格的微型加速度计市场成为可能。微型加速度计市场成为可能。微型加速度计市场成为可能。

【技术实现步骤摘要】
动热源摆式全方位微机械加速度计


[0001]本技术涉及利用全方位动热源摆在线加速度作用下发生摆动从而检测运动载体加速度姿态参数的
，尤其是涉及动热源摆式全方位微机械加速度计，属于惯性测量领域。

技术介绍

[0002]由于载体姿态测量在民用车辆、铁路建设、工业生产、桥梁建筑、地震研究、大地测绘、地矿勘探、海洋调查、卫星通讯、机器人工程等多种领域中的应用需求，近年来，传感器技术与新兴科学技术间的有机结合将使姿态传感器朝着微小型、综合型和智能型的方向发展。目前姿态传感器包括陀螺和加速度计。单轴加速度计是用来敏感施加在载体所在平面沿着某一特定方向上的加速度，比如载体所在直角坐标系中的X敏感轴或者Y敏感轴。但是在传感器实际使用中施加给载体的加速度可以沿着载体平面任一方位角进行，很难预料在某个方向上有加速度输入，因此我们需要一个能敏感沿着载体平面内任一方位角输入加速度计，即需全方位加速度计。在机器人工业中对于机器人的行走、工作姿态的控制和在航空、航天、舰船、兵器以及自动化领域中，都希望在全方位上进行检测，特别是对舰船、浮标、浮动声纳等摇动载体的姿态控制有重要意义。
[0003]在加速度计中最常用的是摆式加速度传感器。目前常用的摆式倾角传感器有液体摆式、固体摆式和热流式三大类型。固体摆式倾角传感器结构复杂，成本高，固体摆的运动幅度较大，难以承受高过载或冲击。液体摆式倾角传感器其主要问题是结构部件多，响应时间长，性能随温度变化大。而热流式加速度计敏感质量小，结构简单，有承受高过载、响应时间短、温度性能好和成本低等特点，能在恶劣的环境中应用。因此在微型加速度传感器中，微机械(MEMS)热流加速度以其超高抗冲击能力和超低制造成本在MEMS传感器中独树一帜，是其它MEMS传感器无法媲美的。
[0004]微机械(MEMS)热流加速度计的工作原理是：在密闭的腔体内设置电阻式加热器，在其周围设置对称分布的平行检测热敏电阻，加热器通电加热形成热源向周围发出热流，由于温度场对称分布，因此对热敏电阻的影响一致。当外界有线加速度输入时，热气流的流动方向与加速度方向相同，向输入加速度方向变动，引起气流的温度场不对称分布，使得同一方向的两个相邻检测热敏电阻温度变化相反，两个检测热敏电阻产生温度差。通过惠斯登电桥检测温差就可实现对加速度的检测。中国专利：微型硅桥式热对流加速度传感器(专利申请号 02116842.3)为敏感沿着某一特定方向输入加速度的传感器，不能进行全方位线加速度测量。现有技术一般利用输入加速度在敏感轴上的投影来计算加速度的大小。这种方法一方面需要后续的大量计算，响应速度慢，不能进行快速测量，不便引入自动控制系统中；另一方面投影换来的是灵敏度的损耗，传感器灵敏度低。在现有技术中，由于热气流速度很小，加速度作用下气流移动造成的不对称温度场梯度很小，因此由热敏电阻构成的惠斯登电桥输出的不平衡电压小，传感器的灵敏度低。虽然可以通过加大加热器功率的方法提高灵敏度，但是受到功耗的限制，灵敏度没有实质性的改变和提高，很难突破这一实用化
的瓶颈。

技术实现思路

[0005]本技术的目的在于提供一种动热源摆式全方位微机械加速度计，以解决现有技术中存在的技术问题。
[0006]为了实现上述目的，本技术采用以下技术方案：
[0007]本技术提供一种动热源摆式全方位微机械加速度计，包括盖板和敏感层，其中，
[0008]所述敏感层含有中间加热腔和中间检测腔，敏感层中心位置有一个全方位动热源摆加热器、四对热敏电阻；
[0009]定义所述矩形加速度计的长宽方向分别为X，Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器通过六个完全对称的半圆形辐条悬置在敏感层的中心位置，所述热敏电阻呈正八边形分布放置在加热器的周围；八个热敏电阻两两相对设置，用于检测全方位的加速度；
[0010]加热器通过六个完全对称的半圆形辐条悬置在敏感层的中心位置，其下方是圆形的中间加热腔，八个热敏电阻呈正八边形分布的设置在加热器位置周围；
[0011]所述全方位动热源摆加热器的两端沿着Y方向覆盖对称的电极，形成可动电阻式热源；
[0012]加热器和热敏电阻的通电方式均为恒流电；
[0013]作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。
[0014]作为一种进一步的技术方案，盖板和基底层将中间加热腔和中间检测腔的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统；中间加热腔和中间检测腔高度与上密封层中凹槽的深度为总的腔体高度z， 300μm≤z≤1000μm。
[0015]作为一种进一步的技术方案，所述盖板的凹槽深度为盖板高度的 2/3。
[0016]作为一种进一步的技术方案，所述加热器和热敏电阻的高度为100nm至1000nm。
[0017]作为一种进一步的技术方案，所述热敏电阻的长度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
[0018]作为一种进一步的技术方案，所述加热器和热敏电阻均是由铬黏附层和铂层组成的金属层构成。
[0019]一种加工动热源摆式全方位微机械加速度计的方法，具体工艺流程如下：
[0020]步骤一：在N型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜；
[0021]步骤二：二氧化硅膜上光刻形成全方位动热源摆加热器和热敏电阻结构图形；
[0022]步骤三：用磁控溅射工艺在光刻胶、二氧化硅上依次溅射由铬黏附层和铂层组成的金属层；
[0023]步骤四：采用超声剥离工艺剥离掉全方位动热源摆加热器和热敏电阻结构图形以外的金属层，形成全方位动热源摆加热器和热敏电阻结构；
[0024]步骤五：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅；
[0025]步骤六：采用硅刻蚀工艺腐蚀加工形成深300μm的凹槽，使全方位动热源摆加热器和热敏电阻通过二氧化硅膜悬空固定在敏感层上，完成敏感层的加工；
[0026]步骤七：通过键合工艺将盖板和敏感层进行粘合，使敏感层的上表面处于密闭腔体里完成敏感元件的加工。
[0027]采用上述技术方案，本技术具有如下有益效果：
[0028]1.这种动热源摆式全方位微机械加速度计继承了MEMS热流加速度计的优点，体积小，重量轻，易于智能化和集成化。
[0029]2.这种加速度计的敏感结构是全方位动热源摆加热器。全方位动热源摆除了能沿着垂直于敏感层平面的Z轴上下摆动外，它在敏感层XOY平面上任一方位角上都可以摆动，能够敏感在XOY平面任一方位角上的输入加速度，从而不受方位角的限制实现加速度的全方位的测量，灵敏度高，响应速度快。
[0030]3.全方位动热源摆通过六个完全对称的高弹性半圆形辐条悬空在振子所在平面，使其具有高的结构对称性，结构应力小，能够实现任一方位角检测的一致性。
[0031]4.这种全方位动热源摆采用风火轮式敏感结构，中心轮轱是一个质量块，也是一个加热器。这种风火轮式的敏感结构有如下优点：采用敏感结构中心支本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动热源摆式全方位微机械加速度计，其特征在于，包括基底层、敏感层和盖板，其中，所述敏感层含有中间加热腔和中间检测腔，敏感层的上表面设置有全方位动热源摆加热器和四对热敏电阻；定义所述加速度计的长宽方向分别为X，Y方向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器通过六个完全对称的半圆形辐条悬置在敏感层的中心位置，所述热敏电阻呈正八边形分布放置在全方位动热源摆加热器的周围；八个热敏电阻两两相对设置，用于检测全方位的加速度；全方位动热源摆加热器通过六个完全对称的半圆形辐条悬置在敏感层的中心位置，其下方是圆形的中间加热腔，八个热敏电阻呈正八边形分布的设置在加热器位置周围；所述全方位动热源摆加热器除了能沿着垂直于敏感层的Z轴摆动外，也能沿着敏感层所在XOY平面内的任一方位角摆动；全方位动热源摆加热器和热敏电阻的通电方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴林华，李备，王灯山，佟嘉程，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：新型
国别省市：