全方位动热源式Z轴微机械加速度计

全方位动热源式z轴微机械加速度计
技术领域
1.本实用新型涉及一种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技术，尤其是涉及全方位动热源式z轴微机械加速度计，属于惯性测量领域。


背景技术：

2.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。利用微机电系统mems(micro-electro-mechanical
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system)技术制作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、低精度微型惯性传感器的理想产品。加速度计是载体运动姿态测量和控制的核心惯性传感器。
3.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。目前，市场对微型加速度计适应恶劣苛刻的环境能力要求越来越高，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。
4.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)中微机械热流加速度计是利用加热器产生热流在输入线加速度作用下发生移动，造成不对称温度场，通过设置对称的热敏电阻检测温度场的不对称分布。由于热气流速度很小，气流偏转时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。在现有的解决方案，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。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种全方位动热源式z轴微机械加速度计，以解决现有技术中存在的技术问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.本实用新型提供一种全方位动热源式z轴微机械加速度计，包括上敏感层、下敏感层、基底层和盖板，其中，
8.所述上敏感层的中心位置设置有全方位动热源摆加热器，所述下敏感层上表面设置有两个热敏电阻，所述上敏感层、下敏感层键合在一起，形成敏感层；
9.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；所述热敏电阻的放置方向与x方向垂直；两个热敏电阻相对设置，用于检测z轴的加速度；
10.所述加热器通过三个等间距均匀设置的半圆形辐条(也叫支撑梁)悬置在上敏感层的中心位置，形成全方位动热源摆加热器；两个热敏电阻沿y方向对称的设置在下敏感层，分别位于加热器的左、右两侧；
11.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；
12.所述加热器的两端沿着y方向覆盖对称的电极，形成可动电阻式热源；
13.所述热敏电阻的下方是与中间加热腔深度相同的矩形的中间检测腔；
14.加热器和热敏电阻的通电方式均为恒流电；
15.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。
16.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。
17.作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为100nm至1000nm。
18.作为一种进一步的技术方案，所述两个热敏电阻的长度一致，均为整个敏感层宽度的1/6至1/5。
19.作为一种进一步的技术方案，所述加热器是铬黏附层和铂层组成的金属层构成。
20.一种加工全方位动热源摆式z轴微机械加速度计的方法，具体工艺流程如下：
21.步骤一：在n型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜；
22.步骤二：在二氧化硅膜上光刻形成热敏电阻结构图形；
23.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；
24.步骤四：采用超声剥离工艺剥离掉热敏电阻结构图形以外的金属层，形成热敏电阻结构；
25.步骤五：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅；
26.步骤六：采用硅刻蚀工艺腐蚀加工形成深300μm的凹槽，使热敏电阻通过二氧化硅膜悬空固定在下敏感层上，完成下敏感层的加工；
27.步骤七：在另一n型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜；
28.步骤八：二氧化硅膜上光刻形成全方位振子加热器结构图形；
29.步骤九：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；
30.步骤十：采用超声剥离工艺剥离掉全方位振子加热器结构图形以外的金属层，形
成全方位振子加热器结构；
31.步骤十一：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅；
32.步骤十二：采用硅刻蚀工艺腐蚀刻透形成中间加热腔，使全方位振子加热器通过二氧化硅膜悬空固定在上敏感层上，完成上敏感层的加工；
33.步骤十三：通过键合工艺将下敏感层和上敏感层进行粘合；
34.步骤十四：通过键合工艺将盖板和上敏感层进行粘合，使敏感层的上表面处于密闭腔体里，完成敏感元件的加工。
35.采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：
36.1.这种动热源式z轴微机械加速度计继承了mems热流加速度计的优点，结构紧密，体积小，重量轻，易于智能化和集成化。
37.2.这种加速度计的敏感结构是中间的全方位动热源摆加热器。这种全方位动热源摆通过三个完全对称的半圆形支撑梁悬置在敏感层的中心位置，该动热源摆的特点是运动灵活，摆动幅度大，小的输入加速度可获得大的惯性力灵敏度。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有惯性力的自由度(摆动)。该敏感结构能敏感沿z轴的输入加速度，从而实现z轴加速度的测量，灵敏度高，响应速度快。
38.3.这种全方位动热源摆加热器采用风火轮式敏感结构，采用敏感结构中心支撑，结构应力小。
39.4.一致性好，便于引入微机嵌入式系统(单片机)，进行温度补偿和非线性度补偿，可实现批量生产。
40.5.具有结构紧密，成本极低，可靠性高，优秀的抗振动和冲击特性
附图说明
41.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本实用新型实施例提供的加速度计的三维结构示意图；
43.图2为本实用新型实施例提供的敏感层的三维双层结构示意图；
44.图3为本实用新型实施例提供的盖板的三维结构示意图；
45.图4为本实用新型实施例提供的下敏感层的俯视图；
46.图5为本实用新型实施例提供的加速度计的俯视图；
47.图6为图5的a-a向剖视图；
48.图7为本实用新型实施例提供的工作原理图；
49.图8为本实用新型实施例提供的输出电路原理图；
50.图9本实用新型实施例提供的全方位动热源摆式z轴微机械加速度计的制备工艺流程图；
51.图标：1-基底层、2-下敏感层、3-上敏感层、4-中间加热腔、 5-全方位动热源摆加热器、6-电极、7-中间检测腔、8-热敏电阻、 9-热敏电阻、10-盖板、11-矩形凹槽。
具体实施方式
52.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
53.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
54.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
55.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
56.结合图1-6所示，本实施例提供一种全方位动热源式z轴微机械加速度计，包括基底层1、下敏感层2、上敏感层3和盖板10，其中，
57.所述上敏感层3的中心位置设置有全方位动热源摆加热器5，所述下敏感层2设置有两个热敏电阻，所述上敏感层、下敏感层键合在一起，形成敏感层；
58.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；所述热敏电阻的放置方向与x方向垂直与y方向平行；两个热敏电阻相对设置，用于检测z轴的加速度；
59.所述全方位动热源摆加热器5通过三个等间距均匀设置的半圆形辐条(也叫支撑梁)悬置在上敏感层3的中心位置，其下方是中间加热腔4；
60.所述全方位动热源摆加热器5垂直于z轴设置在上敏感层3的中心处；热敏电阻8、热敏电阻9对称的设置在下敏感层2，分别位于全方位动热源摆加热器5的左、右两侧；
61.所述全方位动热源摆加热器5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；
62.加热器5和热敏电阻的通电方式均为恒流电；
63.所述盖板10上刻蚀有矩形凹槽11，且与上敏感层3密闭连接。
64.加热器的两端沿着y方向覆盖对称的电极6，形成可动电阻式热源。
65.结合图7和图8所示，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述全方位动热源摆加热器5通一恒定的电流，电阻加热器通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，在其四周形成热流，热流产生的温度场在两个阻值相同的两个热敏电阻t
z1
(热敏电阻8)、t
z2
(热敏电阻9)对称分布。当在z轴方向有垂直于敏感层方向的线性加速度输入时，全方位动热源摆在加速度的作用下沿着与加速度相同方向移动。当加速度沿着z轴指向热敏电阻输入时，全方位动热源靠近两个热敏电阻，两个热敏电阻的阻值增大。两个热敏电阻两端
的电压和vz增加。同理，当加速度沿着与z轴背向的热敏电阻输入时，全方位动热源摆加热器远离两个热敏电阻，两个热敏电阻阻值减少，两个热敏电阻两端的电压和vz减少。因此可以通过vz的大小检测加速度的大小，通过vz增减变化检测加速度的方向，从而敏感z轴方向上的加速度，即构成一个全方位动热源摆式的z轴微机械加速度计。
66.盖板10和基底层1将中间加热腔4和中间检测腔7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4和中间检测腔7高度与上密封层中凹槽11的深度为总的腔体高度z， 300μm≤z≤1000μm。
67.在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述凹槽11深度为盖板10高度的2/3，使总腔体高度为百微米量级。
68.在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面的所述加热器和热敏电阻的高度为100nm至1000nm，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，从而可以降低对传感器性能的影响。
69.在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述热敏电阻8 和热敏电阻9长度一致，均为整个敏感层宽度的1/6至1/5，可以提高传感器灵敏度。
70.结合图9所示，本实用新型所公开的全方位动热源式z轴微机械加速度计具体工艺流程如下：
71.步骤(a)：在n型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜。
72.步骤(b)：二氧化硅膜上光刻形成全方位振子加热器和热敏电阻结构图形。
73.步骤(c)：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。
74.步骤(d)：采用超声剥离工艺剥离掉全方位振子加热器和热敏电阻结构图形以外的金属层，形成全方位振子加热器和热敏电阻结构。
75.步骤(e)：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅。
76.步骤(f)：采用硅刻蚀工艺腐蚀加工形成深300μm的凹槽，使全方位振子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。
77.步骤(g)：在另一n型(100)单晶硅片上热氧化0.5μm厚二氧化硅膜。
78.步骤(h)：在二氧化硅膜上光刻形成全方位振子加热器结构。
79.步骤(i)：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。
80.步骤(j)：采用超声剥离工艺剥离掉全方位振子加热器结构图形以外的金属层，形成全方位振子加热器结构。
81.步骤(k)：采用光刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉一部分二氧化硅。
82.步骤(l)：采用硅刻蚀工艺腐蚀刻透形成中间加热腔，使全方位振子加热器通过二氧化硅膜悬空固定在上敏感层上，完成上敏感层的加工。
83.步骤(m)：通过键合工艺将下敏感层和上敏感层进行粘合。
84.步骤(n)：通过键合工艺将盖板和上敏感层进行粘合，使敏感层的上表面处于密闭腔体里，完成敏感元件的加工。
85.综上所述，本实用新型打破以往对热流加速度计研究的固有模式，提出一种全方位动热源式z轴微机械加速度计，让有很高温度梯度的加热器动起来，让它受到惯性力的作
用发生偏转在热敏电阻处形成大的温度梯度，从而实现大灵敏度的输出。这种全方位动热源摆加热器通过三个完全对称的半圆形支撑梁悬置在敏感层的中心位置，运动灵活，摆动幅度大，可实现z轴加速度的测量，灵敏度高，响应速度快。风火轮式的敏感结构具有高的结构对称性，结构应力小。该结构可实现在小面积内制作相对长的弹性元件和比较大的质量块，从而获得大的惯性力灵敏度。敏感元件是在一块硅片上通过光刻、腐蚀等工艺制作，一致性好，便于引入微机嵌入式系统 (单片机)，进行温度补偿和非线性度补偿，不仅可以提高传感器的性能，而且可实现批量生产。这种全方位动热源摆式z轴微机械加速度计不仅继承了mems热流加速度计的优点，而且具有结构紧密、体积小、重量轻、易于智能化和集成化等特点，符合传感器朝着微小型、综合型和智能型的发展方向。同时它具有结构和加工工艺非常简单，成本极低，可靠性高，优秀的抗振动和冲击特性等优点。
86.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。