专利名称：基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿生角速度传感器，具体是一种基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。
背景技术：
蜜蜂类昆虫的后翅经过若干年的蜕化形成了作为机械传感器的平衡棒，平衡棒包括毛状感受器、钟状感受器和弦音器官；昆虫飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动， 当昆虫自身的姿态发生变化时，平衡棒就会因受到哥氏力而发生侧弯，平衡棒根部的神经细胞会将感受到的哥氏力信息解调后传递给大脑，进行导航控制；总的来说平衡棒就是某些昆虫保持身体平衡的导航仪。在仿生学不断为工程科学提供创新的源泉时，人们也对昆虫平衡棒进行了仿生研究，利用平衡棒导航的原理成功研制出振动式陀螺仪，这种仪器已经应用于火箭和高速飞机上并实现了自动驾驶；美国专利US_7107842B2中^fei-Chung Wu等人也利用昆虫平衡棒的原理设计了一种由钢材料的四连杆、钢材料加工的小型平衡棒结构、以及贴在平衡棒结构上用来检测哥氏力的应变片组成的微机电平衡棒角速度传感器(Angular rate sensor using micro_electromechanical haltere)，并将其应用在机器果蝇MFI (微型机械飞行昆虫)上，实现了对果蝇MFI的导航功能。随着微型飞行器的发展对导航传感器提出了更高的要求，即传感器尺寸小、功耗低、以及可集成化。目前的仿生平衡棒振动式陀螺仪只能检测单一方向上的角速度，若要对三维方向上的角速度检测，需要与其他陀螺仪进行组合导航，这样会增加整个导航系统的体积以及复杂性，不适用于微型飞行器；而对于微机电平衡棒角速度传感器，虽然结构较小，但是使用时需要将两个传感器对称安装于导航系统两侧，这样使得导航系统体积增加且不便与电源模块、信号处理模块等进行集成，这些都距离真正的微型化还有一定的距离。
发明内容
本发明为了解决现有仿生角速度传感器体积大、检测维数单一、不便集成的问题， 提供了一种基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。本发明是采用如下技术方案实现的基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器， 包括由有机玻璃制成且上下底面为等腰三角形的三棱柱支架，三棱柱支架边长相等的两侧面上均粘结有平衡棒结构；平衡棒结构包括空心框体、位于水平方向上的两个检测梁、以及位于垂直方向上的两个前宽后窄的驱动梁；两个检测梁的一端对称固定于空心框体的相对边上而两个驱动梁的宽端对称固定于空心框体的另两边上，两个检测梁的另一端、两个驱动梁的窄端一起固定在空心框体的中心形成中心柱体；在两个驱动梁上靠近空心框体的部分均依次生长有由Ti/Pt下电极层、PZT (锆钛酸铅)压电层、以及Ti/Pt上电极层组成的压电膜层和Si3N4绝缘层，Si3N4绝缘层上开有与Ti/Pt下电极层相通的下引线孔、以及与Ti/ Pt上电极层相通的上引线孔；两个检测梁上均固定有阻值为2-3kQ的P型压阻条；空心框体的各边上均设有两个铝焊盘，与检测梁相连的空心框体两边上的铝焊盘通过铝引线与P 型压阻条的两端相连，与驱动梁相连的空心框体两边上的铝焊盘通过铝引线分别经上引线孔、下引线孔与Ti/Pt上电极层、Ti/Pt下电极层相连。上述基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器的制备方法，包括如下步骤
(一)、两个平衡棒结构的制备，每个平衡棒结构的制备方法包括如下步骤
步骤1、取厚度为350um的N型100双抛硅片，用RCA工艺清洗后对N型100双抛硅片双面热氧化厚度为500nm的SiO2氧化层；在N型100双抛硅片的背面利用光刻工艺形成框体图形区，用氢氟酸湿法漂去N型100双抛硅片背面除框体图形区外的SiO2氧化层，用深层粒子刻蚀工艺刻蚀框体图形区得到位于框体图形区外的空心框体、以及位于框体图形区内的中心柱体；
步骤2、在N型100双抛硅片的正面利用光刻工艺形成位于中心柱体两侧且处于垂直方向并靠近空心框体的两个压电膜图形区，在压电膜图形区上依次溅射厚度为IOOnm的Ti 层和厚度为250nm的Pt层形成Ti/Pt下电极层，用Sol-Gel法(溶胶凝胶法)在Ti/Pt下电极层上溅射厚度为2um的PZT压电层，再在PZT压电层上溅射厚度为IOOnm的Ti层和厚度为250nm的Pt层形成Ti/Pt上电极层，从而得到由Ti/Pt下电极层、PZT压电层、以及Ti/ Pt上电极层组成的压电膜层；在压电膜层上溅射一层厚度为500-1000nm的Si3N4绝缘层， 在Si3N4绝缘层上用湿法刻蚀工艺刻蚀出与Ti/Pt下电极层相通的下引线孔、以及与Ti/Pt 上电极层相通的上引线孔；
步骤3、在N型100双抛硅片的正面利用光刻工艺形成位于中心柱体两侧且处于水平方向上的两个压阻图形区，在压阻图形区内注入P离子形成阻值为的P型压阻条， 在N型100双抛硅片的正面用光刻、湿法刻蚀工艺形成位于P型压阻条两端的引线孔；
步骤4、在N型100双抛硅片的正面用光刻工艺刻蚀出位于空心框体每边上方的两个焊盘图形区、以及连接焊盘图形区与P型压阻条两端的引线孔、上引线孔、或下引线孔之间的引线图形区，通过溅射工艺在焊盘图形区和引线图形区上溅射一层厚度为3000埃的铝薄膜，得到铝焊盘、铝引线；
步骤5、在N型100双抛硅片的正面利用光刻、ICP刻蚀工艺刻蚀并穿透，得到由空心框体、位于垂直方向上的两个驱动梁、以及位于水平方向上的两个检测梁组成的平衡棒结构；
(二)、取有机玻璃加工成上下底面为等腰三角形的三棱柱支架，用环氧胶将两个平衡棒结构对称粘接于三棱柱支架边长相等的两侧面上，得到基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。本发明的模型从昆虫的平衡棒转化而来，昆虫的平衡棒与垂直于体轴的竖直平面成30 °夹角，昆虫飞行时通过平衡棒在竖直平面内振动来保持稳定，振动幅度最大可达到士90°。平衡棒的振动速度可以分解为沿竖直方向的速度分量和沿水平的速度分量，运动时沿竖直方向的速度与俯仰角速度、翻滚角速度会在平衡棒根部产生哥氏力，而沿水平的速度与偏航角速度也会在平衡棒的根部产生哥氏力。由俯仰角速度、偏航角速度、翻滚角速度所引起的哥氏力在左右两个平衡棒根部的分布具有一定的特征，通过对左右平衡棒哥氏力信息的提取，可以解算出三维方向上的角速度。本发明所述传感器的中心柱体类似于昆虫平衡棒的作用，起着摆动且敏感哥氏力的作用，当驱动梁分别加上相位相反而频率、幅值一致的交流电压时，驱动梁上下振动从而带动中心柱体上下摆动；而检测梁类似于昆虫平衡棒根部的神经细胞，当固定于导航系统上外界有角速度输入时，中心柱体就会发生侧弯， 从而带动检测梁产生较大的形变使应力发生变化，引起P型压阻条阻值的变化，将P型压阻条外接电阻连接成惠斯通半桥电路，对惠斯通半桥的输出端外加检测电路模块测量输出电压的变化，进而解算出三维角速度。如图6所示，将两个P型压阻条礼、R2的一端连接起来，两个P型压阻条礼、R2的另一端之间连接有由第三电阻民、可调电阻IT、阻值与第三电阻民相等的第四电阻礼组成的串联支路，可调电阻IT与两个P型压阻条RpIi2—端的连接节点之间串联有电源Ui， 从而形成惠斯通半桥电路，惠斯通半桥的输出端(两个P型压阻条R1A2的另一端)之间连接有检测电路模块。分别对左右两个平衡棒结构上驱动梁的Ti/Pt下电极层和Ti/Pt上电极层施加频率为ω且相位相差180度的驱动电压使中心柱体上下摆动，如图7所示，中心柱体的摆动速度可分解为沿竖直方向的速度\和沿水平方向的速度Vh ；如图8所示，Vv的速度频率与驱动信号的频率相同为ω，而Vh的速度频率为2ω。将本发明所述传感器安装于导航系统上运动时，左右平衡棒结构的中心柱体会因受到哥氏力而发生侧弯，中心柱体的侧弯带动检测梁弯曲从而引起P型压阻条R1A2的变化，通过检测电路模块就可以检测出电阻队、1 2的变化，进而解算出三维角速度信息。因哥氏力信号比驱动信号延时90度的相位， 所以检测时对于驱动振动信号与哥氏力信号的区分可以通过他们之间的相位差90度进行提取。下面是俯仰角速度、翻滚角速度、偏航角速度的检测
如图12所示，当产生俯仰角速度时，左右平衡棒结构的中心柱体在上下摆动时所产生的哥氏力与Vv相关，假设某一时刻Vv沿Z轴正方向，则通过哥氏定理可以判断出左右平衡棒结构所受的哥氏力Fct+ Fcy_r均沿着χ轴负方向。Fc^1使得左平衡棒结构的中心柱体向 b_a方向弯曲，从而使左平衡棒结构的&的阻值减小而R1阻值增大导致惠斯通半桥的输出电压为负值；而F。"使得右平衡棒结构的中心柱体向b-c方向弯曲，从而使右平衡棒结构的&的阻值减小而R1阻值增大导致惠斯通半桥的输出电压也为负值；如图9所示，左右平衡棒结构通过惠斯通半桥后输出电压信号的频率在ω频率带且哥氏力信号相位相同。因此先检测ω
频率信号，然后通过相位解调获得ω频率下左右平衡棒结构输出相位一致的信号，而这个信号就是由俯仰角速度引起的，从而通过解算获得俯仰角速度。如图12所示，当产生翻滚角速度时，左右平衡棒结构的中心柱体在上下摆动时所产生的哥氏力与Vv相关，假设某一时刻Vv沿Z轴正方向，则通过哥氏定理可以判断出左右平衡棒结构所受的哥氏力Fc3+ Fcx_r都沿着y轴正方向。Fc^1使得左平衡棒结构的中心柱体向a-b方向弯曲，从而使左平衡棒结构的、R2阻值增大而R1阻值减小导致惠斯通半桥的输出电压为正值；而F。 使得右平衡棒结构的中心柱体向b-c方向弯曲，从而使左平衡棒结构的&阻值减小而R1阻值增大导致惠斯通半桥的输出电压为负值；如图10所示，左右平衡棒结构通过惠斯通半桥后输出电压信号的频率在ω频率带且哥氏力信号相位相反。因此先检测ω频率信号，然后通过相位解调获得ω频率下左右平衡棒结构输出相位相反的信号，而这个信号就是由翻滚角速度引起的，从而通过解算获得俯仰角速度。如图12所示，当产生偏航角速度时，左右平衡棒结构的中心柱体在上下摆动时所产生的哥氏力与Vh相关，假设某一时刻左平衡棒结构的Vh方向垂直于边ab且指向边ab而右平衡棒结构的Vh方向垂直于边be且指向bc，则通过哥氏定理可以判断出左右平衡棒结构所受的哥氏力Fra+ Fcz_r都垂直于中心柱体的振动平面且沿顺时针方向。Fc^1使得左平衡棒结构的中心柱体向a-b方向弯曲，从而使左平衡棒结构的&阻值增大而R1阻值减小导致惠斯通半桥的输出电压为正值；而F。 使得右平衡棒结构的中心柱体向b-c方向弯曲， 从而使左平衡棒结构的民阻值减小而R1阻值增大导致惠斯通半桥的输出电压为负值；如图 11所示，左右平衡棒结构通过惠斯通半桥后输出电压信号的频率在2 ω频率带且哥氏力信号相位相反。因此先检测2ω频率信号，然后通过相位解调获得2 ω频率下左右平衡棒结构输出相位相反的信号，而这个信号就是由偏航角速度引起的，从而通过解算获得偏航角速度。本发明所述的仿生三维角速度传感器，与传统仿生传感器相比，体积大大减小、功耗也大大降低，实现了三维角速度的检测，直接安装方便与其他模块进行集成，解决了现有仿生角速度传感器体积大、检测维数单一、不便集成的问题，可广泛适用于三维角速度的检测。
图1是本发明的结构示意图。图2是平衡棒结构的结构示意图。图3是本发明制备方法中第一步步骤1的结构示意图。图4是本发明制备方法中第一步步骤2的结构示意图。图5是图4的A-A剖面图。图6是本发明外接的惠斯通半桥电路连接图。图7是本发明中心柱体摆动时速度分解示意图。图8是图7中分速度的频率曲线图。图9是本发明左右平衡棒结构翻滚角速度的哥氏力图。图10是本发明左右平衡棒结构俯仰角速度的哥氏力图。图11是本发明左右平衡棒结构偏航角速度的哥氏力图。图12是本发明翻滚角速度、俯仰角速度、偏航角速度所产生的哥氏力示意图。图中1-三棱柱支架；2-空心框体；3-检测梁；4-驱动梁；5-中心柱体；6- Ti/Pt 下电极层；7-PZT压电层；8-Ti/Pt上电极层；9- Si3N4绝缘层；10_下引线孔；11_上引线孔； 12-P型压阻条；13-铝引线;14-铝焊盘；15- N型100双抛硅片；IB-SiO2氧化层；17-框体图形区。
具体实施例方式基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器，包括由有机玻璃制成且上下底面为等腰三角形的三棱柱支架1，三棱柱支架1边长相等的两侧面上均粘结有平衡棒结构；平衡棒结构包括空心框体2、位于水平方向上的两个检测梁3、以及位于垂直方向上的两个前宽后窄的驱动梁4 ；两个检测梁3的一端对称固定于空心框体2的相对边上而两个驱动梁4的宽端对称固定于空心框体2的另两边上，两个检测梁3的另一端、两个驱动梁4的窄端一起固定在空心框体2的中心形成中心柱体5 ；在两个驱动梁4上靠近空心框体2的部分均依次生长有由Ti/Pt下电极层6、PZT压电层7、以及Ti/Pt上电极层8组成的压电膜层和Si3N4 绝缘层9，Si3N4绝缘层9上开有与Ti/Pt下电极层6相通的下引线孔10、以及与Ti/Pt上电极层8相通的上引线孔11 ；两个检测梁3上均固定有阻值为2-3k Ω的P型压阻条12 ；空心框体2的各边上均设有两个铝焊盘14，与检测梁3相连的空心框体2两边上的铝焊盘14 通过铝引线13与P型压阻条12的两端相连，与驱动梁4相连的空心框体2两边上的铝焊盘14通过铝引线13分别经上引线孔11、下引线孔10与Ti/Pt上电极层8、Ti/Pt下电极层6相连。上述基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器的制备方法，包括如下步骤 (一)、两个平衡棒结构的制备，每个平衡棒结构的制备方法包括如下步骤
步骤1、取厚度为350um的N型100双抛硅片15，对N型100双抛硅片15双面热氧化厚度为500nm的SiO2氧化层16 ；在N型100双抛硅片15的背面利用光刻工艺形成框体图形区17，用氢氟酸湿法漂去N型100双抛硅片15背面除框体图形区17外的SiO2 氧化层16，用深层粒子刻蚀工艺刻蚀框体图形区17得到位于框体图形区17外的空心框体 2、以及位于框体图形区17内的中心柱体5 ；
步骤2、在N型100双抛硅片15的正面利用光刻工艺形成位于中心柱体5两侧且处于垂直方向并靠近空心框体2的两个压电膜图形区，在压电膜图形区上依次溅射厚度为 IOOnm的Ti层和厚度为250nm的Pt层形成Ti/Pt下电极层6，用Sol-Gel法在Ti/Pt下电极层6上溅射厚度为2um的PZT压电层7，再在PZT压电层7上溅射厚度为IOOnm的Ti层和厚度为250nm的Pt层形成Ti/Pt上电极层8，从而得到由Ti/Pt下电极层6、PZT压电层 7、以及Ti/Pt上电极层8组成的压电膜层；在压电膜层上溅射一层厚度为500-1000nm的 Si3N4绝缘层9，在Si3N4绝缘层9上用湿法刻蚀工艺刻蚀出与Ti/Pt下电极层6相通的下引线孔10、以及与Ti/Pt上电极层8相通的上引线孔11 ；
步骤3、在N型100双抛硅片15的正面利用光刻工艺形成位于中心柱体5两侧且处于水平方向上的两个压阻图形区，在压阻图形区内注入P离子形成阻值为的P型压阻条(12)，在N型100双抛硅片15的正面用光刻、湿法刻蚀工艺形成位于P型压阻条12 两端的引线孔；
步骤4、在N型100双抛硅片15的正面用光刻工艺刻蚀出位于空心框体2每边上方的两个焊盘图形区、以及连接焊盘图形区与P型压阻条12两端的引线孔、上引线孔11、或下引线孔12之间的引线图形区，通过溅射工艺在焊盘图形区和引线图形区上溅射一层厚度为3000埃的铝薄膜，得到铝焊盘14、铝引线13 ；
步骤5、在N型100双抛硅片15的正面利用光刻、ICP刻蚀工艺刻蚀并穿透，得到由空心框体2、位于垂直方向上的两个驱动梁4、以及位于水平方向上的两个检测梁3组成的平衡棒结构；
(二 )、取有机玻璃加工成上下底面为等腰三角形的三棱柱支架1，将两个平衡棒结构对称粘接于三棱柱支架1边长相等的两侧面上，得到基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感.具体实施时，所述三棱柱支架1上下底面的三边边长分别为5mm、5mm、7. 07mm,三棱柱支架1的高为10mm。
权利要求
1.基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器，其特征在于包括由有机玻璃制成且上下底面为等腰三角形的三棱柱支架(1)，三棱柱支架(1)边长相等的两侧面上均粘结有平衡棒结构；平衡棒结构包括空心框体(2)、位于水平方向上的两个检测梁(3)、以及位于垂直方向上的两个前宽后窄的驱动梁(4);两个检测梁(3)的一端对称固定于空心框体(2)的相对边上而两个驱动梁(4)的宽端对称固定于空心框体(2)的另两边上，两个检测梁(3) 的另一端、两个驱动梁(4)的窄端一起固定在空心框体(2)的中心形成中心柱体(5)；在两个驱动梁(4)上靠近空心框体(2)的部分均依次生长有由Ti/Pt下电极层(6)、PZT压电层 (7)、以及Ti/Pt上电极层(8)组成的压电膜层和Si3N4绝缘层(9)，Si3N4绝缘层(9)上开有与Ti/Pt下电极层(6)相通的下引线孔(10)、以及与Ti/Pt上电极层(8)相通的上引线孔 (11)；两个检测梁(3)上均固定有阻值为2-3kQ的P型压阻条(12)；空心框体(2)的各边上均设有两个铝焊盘(14)，与检测梁(3)相连的空心框体(2)两边上的铝焊盘(14)通过铝引线(13)与P型压阻条(12)的两端相连，与驱动梁(4)相连的空心框体(2)两边上的铝焊盘(14)通过铝引线(13)分别经上引线孔(11)、下引线孔(10)与Ti/Pt上电极层(8)、Ti/ Pt下电极层(6)相连。
2.根据权利要求1所述的基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器，其特征在于所述三棱柱支架(1)上下底面的三边边长分别为5mm、5mm、7. 07mm，三棱柱支架(1)的高为 IOmm0
3.根据权利要求1或2所述的基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器的制备方法， 其特征在于包括如下步骤(一)、两个平衡棒结构的制备，每个平衡棒结构的制备方法包括如下步骤 步骤1、取厚度为350um的N型100双抛硅片(15)，对N型100双抛硅片(15)双面热氧化厚度为500nm的SiO2氧化层(16)；在N型100双抛硅片(15)的背面利用光刻工艺形成框体图形区(17)，用氢氟酸湿法漂去N型100双抛硅片(15)背面除框体图形区 (17)外的SiO2氧化层(16)，用深层粒子刻蚀工艺刻蚀框体图形区(17)得到位于框体图形区(17)外的空心框体(2)、以及位于框体图形区(17)内的中心柱体(5)；步骤2、在N型100双抛硅片(15)的正面利用光刻工艺形成位于中心柱体(5)两侧且处于垂直方向并靠近空心框体(2)的两个压电膜图形区，在压电膜图形区上依次溅射厚度为IOOnm的Ti层和厚度为250nm的Pt层形成Ti/Pt下电极层(6)，用Sol-Gel法在Ti/ Pt下电极层(6)上溅射厚度为2um的PZT压电层(7)，再在PZT压电层(7)上溅射厚度为 IOOnm的Ti层和厚度为250nm的Pt层形成Ti/Pt上电极层(8)，从而得到由Ti/Pt下电极层(6)、PZT压电层(7)、以及Ti/Pt上电极层(8)组成的压电膜层；在压电膜层上溅射一层厚度为500-1000nm的Si3N4绝缘层(9)，在Si3N4绝缘层(9)上用湿法刻蚀工艺刻蚀出与Ti/ Pt下电极层(6)相通的下引线孔(10)、以及与Ti/Pt上电极层(8)相通的上引线孔(11)； 步骤3、在N型100双抛硅片(15)的正面利用光刻工艺形成位于中心柱体(5)两侧且处于水平方向上的两个压阻图形区，在压阻图形区内注入P离子形成阻值为2-3kQ的P 型压阻条(12)，在N型100双抛硅片(15)的正面用光刻、湿法刻蚀工艺形成位于P型压阻条(12)两端的引线孔；步骤4、在N型100双抛硅片(15)的正面用光刻工艺刻蚀出位于空心框体(2)每边上方的两个焊盘图形区、以及连接焊盘图形区与P型压阻条(12)两端的引线孔、上引线孔(11)、或下引线孔(12)之间的引线图形区，通过溅射工艺在焊盘图形区和引线图形区上溅射一层厚度为3000埃的铝薄膜，得到铝焊盘(14)、铝引线(13)；步骤5、在N型100双抛硅片(15)的正面利用光刻、ICP刻蚀工艺刻蚀并穿透，得到由空心框体(2)、位于垂直方向上的两个驱动梁(4)、以及位于水平方向上的两个检测梁(3) 组成的平衡棒结构；(二)、取有机玻璃加工成上下底面为等腰三角形的三棱柱支架(1 )，将两个平衡棒结构对称粘接于三棱柱支架(1)边长相等的两侧面上，得到基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。
全文摘要
本发明涉及仿生角速度传感器，具体是一种基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。本发明解决了现有仿生角速度传感器体积大、检测维数单一、不便集成的问题。基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器，包括由有机玻璃制成且上下底面为等腰三角形的三棱柱支架，三棱柱支架边长相等的两侧面上均粘结有平衡棒结构；平衡棒结构包括空心框体、位于水平方向上的两个检测梁、以及位于垂直方向上的两个前宽后窄的驱动梁；在两个驱动梁上靠近空心框体的部分均依次生长有压电膜层和Si3N4绝缘层；两个检测梁上均固定有阻值为2-3kΩ的P型压阻条。本发明所述的三维角速度传感器体积小、功耗低，实现了三维角速度的检测，可广泛适用于三维角速度的检测。
文档编号G01P3/44GK102539815SQ20121004049
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月22日 优先权日2012年2月22日
发明者刘俊, 刘尧, 唐军, 张晓明, 李 杰, 温焕飞, 石云波, 郭浩 申请人:中北大学