[发明专利]一种基于热膨胀流的MEMS三轴陀螺及其加工方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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；

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，100μm≤z≤1000μm；

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z1；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：z1＜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50～100μm。