[发明专利]一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺

说明书

本发明公开了一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺，包括敏感层和盖板，敏感层的上表面设置有呈“一”字型结构的两根加热器和两对热敏电阻，敏感层的下表面刻蚀有一“十”字型凹槽；一根加热器和一对热敏电阻构成一个测量单元；两个测量单元中间设有正方形的隔离电阻；两根加热器的通电方式为周期方波式通电；盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。本发明提出的基于热膨胀流的MEMS陀螺，可实现平面Z轴角速度的测量，具有很高的集成度。而且敏感层的下表面刻蚀出“十”字形凹槽，散热性好。基于这些优点它可以广泛应用于平台稳定系统,如照相机、摄像机等电子产品的稳定系统,所以其市场前景十分光明。

技术领域

本发明属于利用哥氏力偏转热流敏感体检测运动体角速度姿态参数的技术领域，尤其是涉及一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺及其加工方法，属于惯性测量领域。

背景技术

上世纪90年代中后期出现了利用微机电系统MEMS技术制作的热膨胀原理的微型惯性传感器,有大批量生产、成本低、体积小、功耗低等诸多优点，是未来中精度或低精度微型惯性传感器的理想产品。陀螺、加速度计是载体运动姿态测量和控制的核心惯性传感器，而陀螺是敏感角速度、角加速度等角参数的传感器。

传统的微型陀螺(微机械陀螺)是基于高频振动质量块被基座带动旋转时存在的科氏效应原理，是一种微电子和微机械结合的微型化速率陀螺。这种陀螺敏感元件内的固体质量块需要通过机械弹性体悬挂，才能保持自身的振动。这种陀螺在稍高加速冲击下容易损坏，同时为了减少阻尼而需要真空封装，其工艺复杂，长时间工作时会产生疲劳损坏和振动噪声。

而基于热膨胀原理的微型惯性传感器的敏感元件为气体,它通过温度传感器敏感受到角速度作用的流体温度的差异来获得外界角速度。由于没有了传统加速度传感器的悬挂质量和振动结构,所以能够抵抗很高的冲击,并能保证一定的精度,能很好的解决高过载和高精度之间的矛盾。同时由于采用MEMS技术加工,具有体积小、重量轻和成本低等优点,使热膨胀微型惯性传感器得以广泛应用。MEMS热膨胀陀螺的原理在国际上属于首创,它和热对流加速度计具有相似的优点,没有复杂的悬挂质量和振动结构,具有抗大冲击、体积小、重量轻、成本低、可批量化生产等优点。基于这些优点它可以广泛应用于平台稳定系统,如照相机、摄像机等电子产品的稳定系统,所以其市场前景十分光明；更为重要的是，它可以与热对流加速度计组合构成抗大冲击的惯性制导等应用，而且量程和灵敏度不受传统理论的限制。

微型热膨胀陀螺的敏感工作原理是利用对流场的流速来实现角速度测量的。当加热器在驱动电压作用下加热时，位于加热器上方的气体受热上升,导致两侧的气流过来补充,产生靠近热敏电阻方向的流动。当没有外界角速度作用时，热敏电阻两侧气体流速相等,方向相反,对流场分布完全对称,温度传感器感受到的温度相同，检测电路输出角速度是零。当有Z方向的角速度信号作用时,在X方向运动的气体上产生Y方向的哥氏加速度。该加速度使气体的运动在Y 方向发生偏移,从而导致Y方向对称位置的温度传感器发生不同变化,通过惠斯通电桥输出与输入角速度成正比的电压，从而得到角速度值。由于市场上的一些热膨胀陀螺在无角速度输入情况下会产生不对称的气体流场，从而造成角速度检测误差。因此，如何克服上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺，包括敏感层和盖板，其中，所述敏感层的上表面设置有呈“一”字型结构的两根加热器和两对热敏电阻，敏感层的下表面刻蚀有一个“十”字型凹槽；