专利名称：三轴热对流加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加速度传感器，尤其是涉及一种应用于微机械传感领域的 三轴热对流加速度传感器。
背景技术：
加速度传感器能够测量加速度、速度、位移和倾斜度等物理量，是一种应 用十分广泛的惯性传感器。但是，传统机械加工方法制造的加速度传感器因体 积大、质量大、成本高，应用场合受到很大限制。近年来，利用微机械加工技
术研制的樣i型加速度传感器是一种典型的MEMS (Micro Electro Mechanical System缩写成MEMS)器件，它克服了传统加速度传感器的缺点，给系统的设计 带来极大的方便，已成为微机械研究领域的热点。微加速度传感器具有体积小、 灵敏度高、成本低等优点，被广泛应用于微型卫星、自动控制、导航、GPS、手 机、汽车安全系统以及虚拟游戏机等诸多领域。加速度传感器根据检测轴向可 以分为单轴加速度传感器、双轴加速度传感器和三轴加速度传感器，它的轴向 越多实现的难度越大，因此，三轴的加速度传感器的加工难度远远大于单轴加 速度传感器。目前三轴加速度传感器的实现方法大多采用单轴组合的方式，或 者一个单轴与一个双轴组合的方式，这些方法相对容易实现，但这种方法会产
生安装误差和质心位置误差。采用MEMS技术能够制造出不同工作方式的加速度 传感器，例如压阻式、隧道电流式和电容式等，但是这些类型的器件多数都 存在着悬挂质量块，所以不能耐受大的加速度冲击。
气体^:感加速度传感器由封闭腔体、加热器和一对对称的温度传感器构成。
加热器和温度传感器悬在腔体内，加热器加热使其周围的气体温度升高、密度 减小。在重力加速度的作用下，腔体内的气体发生对流。这样位于加热器相等
距离上的一对温度传感器就能测量到加热器两边的温度差。器件封装在密封的 隔热管壳内，防止外部气流和温度对器件的影响。加速度传感器的敏感方向是 与成对的温度传感器形成的轴线平行的方向。敏感方向无加速度时，腔体内被 加热的气体只在重力加速度的作用下发生均匀的对流，加热器水平两边相等位
置上的温度相等，两个温度传感器的输出相等；敏感方向有加速度时，腔体内 的气体在重力加速度和外在加速度的联合作用下对流，加热器水平两边相等位
置上出现温度差，两个温度传感器的输出就产生差异。若两个温度传感器采用 热敏电阻，可与外接的两个参考电阻构成电阻电桥。这样外界的加速度信号就 可以转化为电桥的输出电压信号。目前公开的气体敏感加速度传感器一般只有 单轴的和双轴的两种，单敏感元件的三轴热对流加速度传感器还没有公开的技术。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种结构为一体的、采用单一敏感元件 的三轴热对流加速度传感器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是
本发明采用气体作为敏感元件，气体被封闭限定在一封闭腔体的空间内， 作为唯一的敏感元件，在封闭的腔体内的X、 Y、 Z方向分别设置有温度传感器， 在封闭腔体的中心设置加热器。温度传感器等距离对称的分布在X、 Y、 Z三个 轴向上，在X、 Y、 Z三个轴向上的温度传感器的特性值相同并完全对称。X、 Y、 Z三轴的温度传感器共用腔体中的气体。加热器和温度传感器上分别设置有引线 与外部相连。
本发明利用MEMS技术对封闭腔体、加热器和温度传感器进行加工。本发明 的三轴热对流加速度传感器的结构具体由三层组成，在三个轴向上、加热器两 侧各有一对或者两对特性值相同的温度传感器对称分布在加热器两侧。第2层 是一个双轴热对流加速度传感器，即在第2层平面上分别设置有两组温度传感 器，左右方向的一组温度传感器为X方向，前后方向的一组温度传感器为Y方
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向；第1层和第3层的温度传感器组成Z轴方向上的一组温度传感器，它们等 距离对称的分布在加热器的上下两侧。
本发明的加热器的具体结构为加热器的形状为中心对称的图形。此中心 对称的加热器可以是中空的框形，也可以是实心的图形。
上述技术方案的进一步改进在于加热器的形状为方形、圆形或者中心对 称的多边形的其中一种。加热器的引线在方形的四个角、或者圆形的直径方向、 或者中心对称的多边形的轴线方向对称引出。
本发明的温度传感器可以为热^:电阻、热电偶、热电堆等温度传感器的其 中一种。
如果本发明的温度传感器为热敏电阻时，在X、 Y、 Z轴上分别设置两对电 阻值相等的检测电阻，它们在X、 Y、 Z轴方向分别构成电桥检测电路。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是
本发明采用气体作为敏感元件代替了活动质量块，大大提高了耐冲击能力； 并采用X、 Y、 Z三个轴向的三维温度传感器的结构，实现了以热对流的气体作 为单一敏感元件、对三个轴向的加速度进行检测的目的。本发明的加速度传感 器由三层结构键合在一起，形成一个一体的结构，代替了组合方式，单敏感元 件三轴热对流加速度传感器不用组合就能实现检测三个轴向的加速度的功能， 所以能很好的克服以往的技术缺点，可以消除安装误差和质心位置误差，避免 使用多个敏感元件带来的制造、安装的麻烦。本发明的加速度传感器可以应用 在许多场合，使用本发明进行加速度检测时，可以感知空间任意方向的加速度、 简单方便、体积小、成本低、可靠性高、抗高沖击。
本发明的温度传感器可以使用热敏电阻、热电偶、热电堆等许多种类型， 应用广泛。如果以热敏电阻作为温度传感器，在一个轴向上可以设置两对热敏 电阻，这四个热敏电阻构成全桥电路结构，进一步提高了每个方向上^r测的灵 敏度和线性度。
本发明的加热器的形状设计为中心对称的图形，加热器的引线在方形的四
个角或者圓形的直径方向或者中心对称的多边形的轴线上对称引出，能够使加 热器发热均匀，能够保证各温度传感器与加热器的距离对称、相等，能够减小 各方向上的温度传感器对温度的检测误差，提高加速度传感器的精度。
图1是三轴热对流加速度传感器的一种结构的剖面示意图； 图2是三轴热对流加速度传感器的第一层和第三层的一种结构的示意图； 图3是三轴热对流加速度传感器的第二层的一种结构示意图。 其中1、硅基体，2、 Z轴的热^:电阻，3、加热电阻，4、 X轴的热壽文电 阻，5、引线，6、 Y轴的热壽文电阻，7、封闭腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明 实施例1
如图l、图2、图3所示。本发明的三轴热对流加速度传感器包括内部设置 有敏感元件的封闭腔体7、加热器3、温度传感器，敏感元件为限定在封闭腔体 7内的气体，加热器和温度传感器都封闭在封闭腔体7内。本发明三轴热对流加 速度传感器的基体结构由硅基体1组成，加速度传感器由三层构成，它们分别 制造后通过键合技术键合在一起。第l层和第3层分别为两对Z轴的热敏电阻2; 第2层的前后是两对Y轴的热敏电阻6，左右为两对X轴的热敏电阻4。加热器 即为加热电阻3，它位于第2层的中心，也是封闭腔体7的中心；在X、 Y、 Z三 个轴向上的温度传感器是等距离对称布置在加热器周围，并且它们的电阻值完 全对称。
加热器4为方框形，在方框形加热器的对角上分别设置有引线5;在每个温 度传感器的两端也分别连接有引线5。温度传感器采用全桥电路结构，在每个轴 向上四个温度传感器分别构成电阻电桥。
实施例2
本实施例与实施例l的不同之处在于在X、 Y、 Z轴向的温度传感器分别
为一对热电堆，此热电堆通过引线与外界的温度检测电路相连。 实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于加热电阻为圆形，加热电阻的引线 设置在圓形的直径方向上。
权利要求
1、三轴热对流加速度传感器，包括内部设置有以气体作为敏感元件的封闭腔体、设置在封闭腔体内的有引线与外界连通的加热器、温度传感器，其特征在于加热器位于封闭腔体中心，在封闭腔体内的X、Y、Z三个轴向上分别设置有特性相同的、等距离对称布置的温度传感器。
2、 根据权利要求1所述的三轴热对流加速度传感器，其特征在于所述温度 传感器分三层设置，第1层和第3层分别为Z轴方向上的温度传感器，第2层 的前后是Y轴方向的温度传感器，左右为X轴方向的温度传感器。
3、 根据权利要求1所述的三轴热对流加速度传感器，其特征在于所述加热 器为中心对称的图形。
4、 根据权利要求3所述的三轴热对流加速度传感器，其特征在于所述加热 器的形状为方形、圓形或者对称的多边形的其中一种。
5、 根据权利要求1或2所述的三轴热对流加速度传感器，其特征在于所述 温度传感器为热敏电阻、热电偶、热电堆的其中一种。
全文摘要
本发明公开了一种三轴热对流加速度传感器，它属于微机械传感器领域。它包括内部设置有敏感元件的封闭腔体、加热器、温度传感器，加热器和三个轴向的温度传感器都设置在封闭腔体内，敏感元件为限定在封闭腔体内的气体，加热器位于封闭腔体中心，在X、Y、Z三个轴向上分别设置有等距离对称布置的、特性值相同的温度传感器。它以单一气体作为敏感元件能够感知三个轴向的加速度。本发明的加速度传感器可以应用在许多场合，使用本发明进行加速度检测时，可以感知空间任意方向的加速度、简单方便、体积小、成本低、可靠性高。
文档编号G01K7/02GK101105502SQ20071006255
公开日2008年1月16日 申请日期2007年8月13日 优先权日2007年8月13日
发明者吕树海, 徐淑静, 杨拥军 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所