阅读说明：本技术 一种单热源对流式微机械z轴薄膜陀螺 (Single heat source convection type micro-mechanical Z-axis film gyroscope ) 是由 朴林华 李备 朴然 李美樱 王灯山 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a single heat source convection type micro-mechanical Z-axis film gyroscope which comprises a sensitive layer and a cover plate, wherein the upper surface of the sensitive layer is provided with two heaters in a straight-line structure and two pairs of thermistors, and the lower surface of the sensitive layer is etched with a cross-shaped groove; a heater and a pair of thermistors constitute a measuring unit; a square isolation resistor is arranged between the two measuring units; the two heaters are electrified in a periodic square wave mode; the cover plate is etched with a groove and is hermetically connected with the upper surface of the sensitive layer. The MEMS gyroscope based on the thermal expansion flow can realize the measurement of the plane Z-axis angular velocity and has high integration level. And the lower surface of the sensitive layer is etched with a cross-shaped groove, so that the heat dissipation performance is good. Based on the advantages, the method can be widely applied to platform stabilization systems, such as stabilization systems of electronic products such as cameras, video cameras and the like, so that the market prospect is bright.)

一种单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺

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；

定义所述“一”字型敏感层的上表面的“一”字方向分别为X 向，与“一”字垂直的方向为Y向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均与X或Y方向平行或者垂直；两根所述加热器和两对所述热敏电阻形成一个“一”字型网络，沿X 坐标轴放置；一根加热器和一对热敏电阻构成一个测量单元，共形成两个所述测量单元；；

检测Z轴角速度的热敏电阻为四个，沿“一”字型结构的Y轴方向对称放置，且与Y轴方向垂直；

两根加热器对称放置在X轴方向上，且与X轴垂直；

两根加热器的通电方式为周期方波式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；

所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感层的上表面密闭连接。

作为一种进一步的技术方案，每对所述加热器均由两个相同频率的方波信号驱动，频率为18Hz，脉冲占空比为50％，加热器加热功率为70mW。

作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓。

作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的深度为整个敏感层高度的2/3至3/4。

作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为 50μm至100μm。

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15μm至20μm。

作为一种进一步的技术方案，所述测量单元的宽度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。

作为一种进一步的技术方案，所述加热器是由具有高温度系数的 TaN材料电阻线构成。

作为一种进一步的技术方案，所述热敏电阻是由重掺杂的n型 GaAs材料电阻线构成。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺，采用有“一”字型加热器和热敏电阻的敏感层，并配合相应的信号检测处理电路，可实现空间Z轴角速度的同时测量，继承了微型热流陀螺无固体敏感质量块，抗振动和冲击等优点，实现了基于热膨胀流的MEMS陀螺的多自由度测量。本发明采用MEMS技术加工，具有抗大冲击、体积小、重量轻、成本极低、可靠性高等优势。且本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，工艺简单，敏感件元成品率高，具有高集成度的潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

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发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例提供的敏感层的三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的敏感层背面三维结构示意图；

图3为本发明实施例提供的盖板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的敏感层的俯视图；

图5为本发明实施例提供的单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺的工作原理图；

图6为图4的A-A向剖视图；

图7为本发明实施例提供的加热器的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的热敏电阻的结构示意图；

图标：1-敏感层、2-“十”字型凹槽、3-盖板、4-加热器、5- 加热器、6-热敏电阻、7-热敏电阻、8-热敏电阻、9-热敏电阻、10- 隔离电阻、11-单侧加热器、12-单侧热敏电阻、13-TaN材料电阻块、 14-TaN材料电阻块、15-重掺杂的n型GaAs材料电阻块、16-重掺杂的n型GaAs材料电阻块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限制本发明。

结合图1-6所示，本实施例提供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1和盖板3，其中，

所述敏感层1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2；通过设置“十”字型凹槽2使敏感层主体厚度很薄，为硅薄膜结构，有利于密封腔内工作热流的热扩散。

定义所述“一”字型敏感层的上表面的“一”字方向分别为X 向，与“一”字垂直的方向为Y向，敏感层的高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均与X或Y方向平行或者垂直；两根所述加热器和两对所述热敏电阻形成一个“一”字型网络，沿X 坐标轴放置；一根加热器和一对的热敏电阻构成一个测量单元，共形成两个所述测量单元；

检测Z轴角速度的热敏电阻为四个，即热敏电阻6、热敏电阻7、热敏电阻8和热敏电阻9，沿“一”字型结构的Y轴方向对称放置，且与Y轴方向垂直；

两根加热器(加热器4和加热器5)放置在X轴方向上，且与X 轴垂直；

两根加热器的通电方式为周期方波式通电，即加热器的一个工作周期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；热敏电阻的通电方式均为恒流电；

所述盖板3上刻蚀有凹槽，且与敏感层1的上表面密闭连接。

工作时，两根电阻式的加热器用于加热气体介质并促进气体流沿X轴的定向运动。两根加热器每对加热器均由相同频率的方波信号驱动，频率为18Hz，脉冲占空比为50％，加热器加热功率为70mW。

具体来说：在密封腔内，两根加热器电阻通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成运动的热膨胀流；而作用加热器上的方波，交替加热和冷却每对加热器，这样在每根加热器上形成一种对流式的热流。

在“一”字型敏感层的上表面，检测Z轴角速度的热敏电阻共四个热敏电阻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，由于哥氏力原理，运动的热膨胀流发生相应的偏转，X轴方向的两个加热器产生的热气流会沿着相反的方向到达对应测量单元的两相对平行的热敏电阻(热敏电阻6、热敏电阻7、热敏电阻8和热敏电阻9)，形成相反的加热效应，两相对平行的电阻产生了与输入的Z轴角速度成正比的温差；根据金属热电阻效应，两相对平行的热敏电阻将产生电阻阻值差，通过惠斯通电桥电路，将检测的阻值差转换成电压差，进而由温差和两电压差的平均值可推算出外界Z轴角速度的大小。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，每根所述加热器均由相同频率的方波信号驱动，频率为18Hz，脉冲占空比为50％，加热器加热功率为70mW。电阻通电产生焦耳热，向周围气体释放热量，进行热扩散，形成热流，作用加热器上的方波，交替加热和冷却每对加热器，这样在每对加热器间形成一种对流式的热流。两根加热器形成“一”字型分布的热流。

图5为单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺的工作原理图。在Z 轴方向有个角速度输入Ω_z时，由于哥氏力(Coriolis force)原理，加热器4和加热器5之间产生的热流将会在YOX面内发生偏转，热流偏向的热敏电阻温度高于和它平行的热敏电阻，因此两对相对平行的热敏电阻6和热敏电阻7、热敏电阻8和热敏电阻9产生了与输入角速度Ω_z成正比的温差。两对热敏电阻6和热敏电阻7、热敏电阻8 和热敏电阻9分别连接成惠斯登电桥的两个等臂，加热会使热线电阻发生改变，阻值的改变通过惠斯登电桥转换为两个与角速度Ω_z成正比的电压V_z输出(V_z的输出是两个电桥不平衡电压取平均值)，从而敏感 Z轴角速度。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的外边沿大于上表面加热器和热敏电阻的外轮廓以形成薄膜结构，增加密封腔体内气体介质的热扩散。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述“十”字型凹槽的深度为整个敏感层高度的2/3至3/4。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀的凹槽的深度为50μm至100μm。

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15μm至20μm。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述测量单元的宽度为整个敏感层宽度的1/6至1/5。

结合图7-8所示，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述加热器是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成；所述热敏电阻是由重掺杂的n型GaAs材料电阻线构成。其中，加热器包括2个对称的TaN材料电阻块13、14。TaN材料电阻块由4个串联的“电阻”组成，而每个“电阻”具体实现形式为包括4根并联的TaN材料电阻线。通过这样设计TaN金属电阻线，加热器可以产生更多的热量，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。热敏电阻包括2个对称的重掺杂的 n型GaAs材料电阻块15、16。其中GaAs材料电阻块由4个串联的“热电阻”组成，而每个“热电阻”具体实现形式为包括4根并联的重掺杂的n型GaAs材料电阻线。通过这样设计GaAs热敏电阻，热敏电阻能获得更大的电压信号输出，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。

本发明所公开的单热源对流式微机械Z轴薄膜陀螺，可以利用 GaAs-MMIC技术制备而成，具体工艺流程如下：

步骤一：在GaAs晶片上制备掺杂密度为10¹⁸cm-³的n+GaAs外延层，刻蚀形成上表面热敏电阻；

步骤二：溅射TaN(氮化钽)层作为上表面加热器；

步骤三：分别溅射Ti/Au/Ti，刻蚀形成厚的焊盘和敏感电阻线；

步骤四：刻蚀盖板凹槽和敏感层下表面“十“字型凹槽，两个硅基材料均不刻透，从而完成凹槽和敏感层下表面的凹槽制备；

步骤五：通过键合工艺，将上盖板与敏感层进行粘合，实现气体介质工作环境的密封；

步骤六：对加工出来的结构进行封装，形成单热源对流式微机械 Z轴薄膜陀螺。

综上所述，本发明所提出的陀螺的敏感元件中无悬臂梁结构，具有抗大冲击，结构简单，成本极低，可靠性高等优势；且通过设置“十”字型凹槽2使敏感层主体厚度很薄，散热性好。本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，灵敏度高，稳定性好，可实现Z轴角速度的测量，具有很高的集成度，体积小、功耗低、成本低.

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。