一种基于热膨胀流的mems三轴陀螺及其加工方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】 一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺及其加工方法
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是: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。本发明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。
[0006]本发明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；[0007]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，100 μ m ^ z ^ 1000 μ m ；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]金属电阻桥热敏元件的通电方式均为恒流电；
[0013]四个金属电阻桥加热元件的悬置高度一致，均为Zl ;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:zl < 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50~100 μ m。
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]本发明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:
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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。
[0025]本发明的有益效果是:
[0026]本发明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陀螺，本发明所提出的陀螺具有更高的集成度。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。
[0027]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是实施例中基于热膨胀流MEMS三轴陀螺检测层与基底的三维示意图；
[0029]图2是实施例中基于热膨胀流MEMS三轴陀螺上密封层三维示意图；
[0030]图3是实施例中基于热膨胀流MEMS三轴陀螺检测层与基底的俯视图；
[0031]图4是实施例中基于热膨胀流MEMS三轴陀螺检测层与基底主视剖面图；
[0032]图5是实施例中加热元件结构的具体实现形式示意图；
[0033]图6是实施例中X轴或Y轴角速度热敏元件结构的具体实现形式示意图；
[0034]图7是实施例中Z轴角速度热敏元件结构的具体实现形式示意图。
[0035]图中，1:上密封层，2:基底层，3:中间检测层，4 十”字检测腔，5、6、7、8:金属电阻加热元件，9、10:检测Y轴角速度的金属电阻桥热敏元件，11、12:检测X轴角速度的金属电阻桥热敏元件，13、14、15、16、17、18、19、20:检测Z轴角速度的金属电阻桥热敏元件，21、22,23:单根Pt金属电阻线，24、25、26:金属电阻桥的单个“电阻块”。
【具体实施方式】
[0036]参照图1、图2、图3、图4，本实施例中基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，其结构包括上密封层1、下基底层2、中间检测层3。其中，中间检测层上有“十”字检测腔4及位于检测腔内的金属电阻桥加热元件5?8和金属电阻桥热敏元件9?20。“十”字检测腔4底部为基底层2，基底层2与检测层3为一体；“十”字检测腔4顶部为上密封层I。上密封层I与基底层2将检测腔中的气体介质与外界隔离，形成一个密封的工作系统。
[0037]如图1、图3、图4所示，中间检测层3存在阶梯结构，即检测层3包含两个在Z轴上存在高度差的平行层。离基底层2较近的平面上有4个悬空金属电阻桥5?8作为陀螺的加热元件，而离基底层2较远的平面上有12个悬空的金属电阻桥9?20作为陀螺的热敏元件。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，悬空的金属电阻桥5、6、7、8作为加热元件通电发热，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。可以认为，金属电阻桥7和8形成分别沿X轴正、负向运动的热气体膨胀流，金属电阻桥5和6可形成沿Y轴正、负向运动的热气体膨胀流；热敏元件用于检测外界角速度输入所带来的周围气体温度的变化。具体来说:金属电阻桥13和14、15和16、17和18以及19和20为检测Z轴角速度热敏元件，当外界有Z轴角速度输入时，由于科氏效应，运动的热膨胀流在XY平面内发生相应的偏转，金属电阻桥13和14之间、15和16之间、17和18之间、19和20之间局部温度会产生差异,根据金属热电阻效应,金属电阻桥13和14之间、15和16之间、17和18之间及19和20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；金属电阻桥11和12为检测X轴角速度的热敏元件，当外界有X轴角速度输入时，由于科氏效应，沿Y轴正、负向运动的热膨胀流沿Z轴方向发生相反的偏转，造成金属电阻桥11和12之间局部温度会产生差异，根据金属的热电阻效应，金属电阻桥11和12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；金属电阻桥9和10为检测Y轴角速度的热敏元件，当外界有Y轴角速度输入时，由于科氏效应，沿X轴正、负向运动的热膨胀流发生相反的偏转，造成金属电阻桥9和10之间局部温度会产生差异，根据金属的热电阻效应，金属电阻桥9和10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；
[0038]“十”字检测腔4四臂根部处的四个金属电阻桥加热元件的结构相同，每个电阻桥加热元件的具体实现形式如图5所示。图3中所示的每个电阻桥加热元件包括3个串联的“电阻块”24，而每个“电阻块”具体实现形式为包括3根并联的Pt金属电阻线21。与9根Pt金属电阻线全部串联相比，先并联后串联的设计方式在电压一定的情况下，每根电阻线可通过更大的电流，产生更多的热量，进而可促进气体热膨胀流的运动，提高陀螺的检测灵敏度。
[0039]检测Z轴角速度敏感元件结构的具体实现形式如图7所示，图3中所示的每个金属电阻桥由3根串联的Pt金属电阻线23组成。X轴或Y轴角速度敏感元件结构的具体实现形式如图6所示，图3中所示的每个金属电阻桥包括2个串联的“电阻块”25，而每个“电阻块”具体实现形式为3根串联的Pt金属电阻线22。在恒流输入的情况下，将Pt金属电阻线进行串联，能获得最大的电压信号输出，从而能够提高陀螺的检测灵敏度。
[0040]陀螺内部4个加热元件5?8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。陀螺内部12个热敏元件的通电方式均为通一合适的恒流电。
[0041]本发明所提出的陀螺能够实现三轴角速度同时测量的关键在于中间检测层3存在阶梯结构，若无此阶梯结构的存在，即加热元件与热敏元件共面，该基于热膨胀流的陀螺将无法检测到外界X轴或Y轴角速度的输入。考虑到对陀螺性能的要求，其中阶梯的高度差可设计为50?100 μ m。
[0042]“十”字检测腔4高度与上密封盖I中凹槽的深度为总的腔体高度。该实施例中的总的腔体高度为百微米量级，可以有效抑制腔体内气体流的自然对流运动，从而可以大大降低Z轴加速度对传感器性能的影响。根据对陀螺性能的要求，总的腔体高度可以在100微米至1000微米的范围内任意选择，例如以上实施例中的总的腔体高度可以为500微米。
[0043]本实施例中基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺利用MEMS工艺在硅基材料上加工而成，其加工方法包括如下步骤:
[0044]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；
[0045]步骤二:在硅基材料上利用LPCVD (低压化学气相沉淀)技术制备金属电阻桥，形成加热元件与热敏元件；
[0046]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；
[0047]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；
[0048]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；
[0049]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。
【权利要求】
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，100 μ m ≤ z ≤ 1000 μ m ； 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Zl ;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:zl < 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。
2.一种如权利要求1所述的基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，其特征在于:所述每个金属电阻桥加热元件包括3个串联的“电阻块”，每个“电阻块”包括3根并联的Pt金属电阻线。
3.—种如权利要求1所述的基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，其特征在于:所述每个检测Z轴角速度敏感元件结构由3根串联的Pt金属电阻线组成。
4.一种如权利要求1所述的基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺，其特征在于:所述每个X轴或Y轴角速度敏感元件包括2个串联的“电阻块”，每个“电阻块”为3根串联的Pt金属电阻线。
5.如权利要求1-4任一基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺的加工方法包括，其特征在于，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。
【文档编号】G01C19/56GK103900544SQ201410140298
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】常洪龙, 巩向辉, 王莎莎 申请人:西北工业大学