專利名稱：射流角速度傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及加工領(lǐng)域，具體涉及到一種射流角速度傳感器及其制備工藝。
背景技術(shù)：
射流角速度傳感器通常是利用科里奧利力改變氣流速度分布的原理來檢測角速度的，在傳感器的檢測腔內(nèi)對稱地放置兩根熱敏電阻絲，熱敏電阻絲接入一個(gè)惠斯登電橋，在壓電驅(qū)動(dòng)或靜電驅(qū)動(dòng)下，腔體內(nèi)部的氣體能夠循環(huán)起來，而且檢測腔內(nèi)的氣體始終是朝一個(gè)方向流動(dòng)的。當(dāng)無角速度輸入時(shí)，檢測腔內(nèi)的氣體速度呈對稱的拋物線分布；當(dāng)有角速度輸入時(shí)，科里奧利力會(huì)使檢測腔內(nèi)的氣體速度分布偏離于拋物線分布，偏離的方向和程度取決于輸入角速度的矢量特性。這種新的不對稱分布造成了一對熱敏電阻絲不同程度的冷卻，電阻阻值因此會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從而引起電橋輸出電壓的變化。目前國內(nèi)和國外的射流角速度傳感器均是用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法制成的，如北京信息工程學(xué)院研制的射流角速度傳感器，參考文獻(xiàn)“壓電射流角速率傳感器”任宏超，張福學(xué)，《傳感器技術(shù)》，1998年第17卷第1期。該射流角速度傳感器內(nèi)的循環(huán)氣流是壓電泵激勵(lì)產(chǎn)生的氣體層流束，體積較大，在很大程度上限制了其應(yīng)用。微型化的射流角速度傳感器的研究尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了上述射流角速度傳感器體積大的缺陷，提供一種射流角速度傳感器，采用MEMS技術(shù)，將射流角速度傳感器的尺度縮小到幾個(gè)毫米，真正實(shí)現(xiàn)了射流角速度傳感器的微型化。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容一種射流角速度傳感器，包括振動(dòng)腔和檢測腔，振動(dòng)腔內(nèi)氣體被驅(qū)動(dòng)可循環(huán)，循環(huán)氣體在檢測腔內(nèi)始終沿一個(gè)方向流動(dòng)，所述檢測腔內(nèi)對稱地放置兩根熱敏電阻絲，并將這兩根熱敏電阻絲接入一個(gè)惠斯登電橋，振動(dòng)腔為兩個(gè)，在每個(gè)振動(dòng)腔兩側(cè)分別設(shè)有兩個(gè)整流腔，被驅(qū)動(dòng)的氣體經(jīng)整流腔流入檢測腔，每個(gè)整流腔為一個(gè)狼牙棒流體二極管，該流體二極管是由若干規(guī)律排列的狼牙棒形擋板組成。
振動(dòng)腔采用壓電驅(qū)動(dòng)或靜電驅(qū)動(dòng)。
所述兩個(gè)振動(dòng)腔的腔頂可各貼有一張壓電陶瓷片，兩張壓電陶瓷片由相位相反的交流電壓控制。
檢測腔位于兩個(gè)振動(dòng)腔之間。
狼牙棒形擋板與側(cè)壁的夾角可為10°-80°。
狼牙棒形擋板在每個(gè)流體二極管中的數(shù)目為2-12。一種射流角速度傳感器的制備方法，其步驟包括由硅片和硅片/玻璃鍵合而成，1)硅片/玻璃部分(1-1)將熱敏電阻絲和引線制作在硅片/玻璃上；(1-2)刻蝕硅片/腐蝕玻璃形成兩個(gè)振動(dòng)腔、四個(gè)整流腔和一個(gè)檢測腔的下半部分；2)硅片部分(2-1)選擇性氧化將絕緣層做到硅片上；(2-2)刻蝕硅片形成兩個(gè)振動(dòng)腔、四個(gè)整流腔和一個(gè)檢測腔的上半部分；3)將硅片/玻璃和硅片鍵合；4)制作振動(dòng)腔的壓電驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的技術(shù)效果1、本傳感器采用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制成，具有體積小、重量輕、成本低、壽命長、能大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。
2、通過調(diào)節(jié)檢測腔的寬度，可以改變傳感器的精度和量程，滿足不同場合的需要?？筛鶕?jù)用戶的需要設(shè)計(jì)檢測腔的寬度，相當(dāng)靈活。
3、由于本傳感器的尺寸很小，所以雷諾數(shù)也就很小，不容易發(fā)生紊流。
4、本傳感器布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊。例如引線下方的隔離墻既支撐了引線，又將檢測腔與振動(dòng)腔、整流腔隔離，一舉兩得。器件的外部輪廓規(guī)則，有助于在一個(gè)硅片上集成多個(gè)器件。
5、本傳感器的敏感質(zhì)量為氣體而非固體，避免了在大沖擊或強(qiáng)震動(dòng)時(shí)，因質(zhì)量力過大而造成器件的損壞，具有耐沖擊、抗過載特點(diǎn)。
6、本傳感器除驅(qū)動(dòng)部分外無任何可動(dòng)部件，避免了器件的磨損，延長了使用壽命。


下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做出詳細(xì)描述。
圖1為本發(fā)明射流角速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為沿圖1P-P面的截面圖；圖3為本發(fā)明狼牙棒流體二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明射流角速度傳感器的工藝流程。
11-玻璃；12-TiW/Pt；13-TiW/Au；14-SiO2；15-硅；16-壓電陶瓷片；17-Si3N4。
具體實(shí)施例方式
圖1為狼牙棒射流角速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1P-P面的截面圖。從圖中可知，狼牙棒射流角速度傳感器由四個(gè)整流腔1、2、3、4和兩個(gè)振動(dòng)腔5、6、以及一個(gè)檢測腔7組成。在檢測腔7內(nèi)對稱地放置兩根熱敏電阻絲9，這兩根熱敏電阻絲9通過引線10接入一個(gè)惠斯登電橋。引線10下方的隔離墻既支撐了引線，又將檢測腔7與振動(dòng)腔5、6以及整流腔1、2、3、4隔離，四個(gè)整流腔分別設(shè)置在兩個(gè)振動(dòng)腔兩側(cè)，檢測腔7位于兩個(gè)振動(dòng)腔5、6之間，每個(gè)整流腔為一個(gè)狼牙棒流體二極管，該狼牙棒流體二極管是由六塊狼牙棒形擋板8組成，擋板8互相交錯(cuò)有規(guī)律地排列，呈狼牙棒形，狼牙棒流體二極管是整個(gè)傳感器的核心部件。
以下是狼牙棒射流角速度傳感器內(nèi)氣體單向循環(huán)的原理狼牙棒射流角速度傳感器通過四個(gè)整流腔1、2、3和4，兩個(gè)振動(dòng)腔5和6以及檢測腔7來實(shí)現(xiàn)氣體單向循環(huán)。狼牙棒射流角速度傳感器可由壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)，也可由靜電、電磁或其他方式驅(qū)動(dòng)。如果采用壓電驅(qū)動(dòng)，在兩個(gè)振動(dòng)腔的腔頂各貼一張壓電陶瓷片，這兩張壓電陶瓷片由相位相反的交流電壓控制，它們振動(dòng)的相位是相反的。圖3為狼牙棒流體二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，狼牙棒流體二極管是一種二端非線性元件。如圖3所示，狼牙棒流體二極管的兩個(gè)開口分別規(guī)定為正極18和負(fù)極19，并規(guī)定氣體在管子內(nèi)部從正極18流向負(fù)極19的流動(dòng)方向?yàn)檎较?，其相反的流?dòng)方向?yàn)樨?fù)方向。在相同壓強(qiáng)差的作用下，流體沿正方向流動(dòng)時(shí)的流量略大于流體沿負(fù)方向流動(dòng)時(shí)的流量，即流體沿正方向流動(dòng)時(shí)狼牙棒流體二極管的流阻要比流體沿負(fù)方向流動(dòng)時(shí)狼牙棒流體二極管的流阻小。當(dāng)振動(dòng)腔5的壓電陶瓷片向上振動(dòng)，振動(dòng)腔6的壓電陶瓷片向下振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)腔5從整流腔1和整流腔2吸氣，振動(dòng)腔6向整流腔3和整流腔4吹氣。因?yàn)檎髑?和整流腔4的流阻比整流腔2和整流腔3的流阻大，所以整流腔3的流量比整流腔1的流量大，整流腔2的流量比整流腔4的流量大。這樣，就會(huì)有一股氣流灌入整流腔的左端，其流量等于整流腔3的流量與整流腔1的流量之差。另外，還有一股氣流從整流腔的右端流出，其流量等于整流腔2的流量與整流腔4的流量之差?？梢姡?dāng)振動(dòng)腔5的壓電陶瓷片向上振動(dòng)，振動(dòng)腔6的壓電陶瓷片向下振動(dòng)時(shí)，會(huì)有一股氣流從左向右通過檢測腔；當(dāng)振動(dòng)腔5的壓電陶瓷片向下振動(dòng)，振動(dòng)腔6的壓電陶瓷片向上振動(dòng)時(shí)，由類似的討論可知，同樣會(huì)有一股氣流從左向右通過檢測腔。
總之，在振動(dòng)腔的驅(qū)動(dòng)下，氣體能在整個(gè)器件內(nèi)循環(huán)起來，而且檢測腔內(nèi)的氣體總是從左向右流動(dòng)。
為了簡明起見，本文描述壓電驅(qū)動(dòng)的狼牙棒射流角速度傳感器的制作工藝，截面圖為沿圖1的P-P面截得的。
本發(fā)明射流角速度傳感器的制備是由硅片和玻璃鍵合而成，硅片部分包括通過選擇性氧化將絕緣層做到硅片上，刻蝕硅片以形成腔體；玻璃部分包括通過濺射和剝離的方法，將熱敏電阻絲和引線做到玻璃上，腐蝕玻璃以形成腔體；硅片上的圖形和玻璃上的圖形完全一樣，只是硅片與鉑絲或引線接觸的地方有氧化層的保護(hù)。將玻璃和硅片陽極鍵合，再進(jìn)一步制作振動(dòng)腔的壓電驅(qū)動(dòng)。玻璃部分也可以由硅片代替，即可以是由硅片和硅片的鍵合制備本發(fā)明射流角速度傳感器。
玻璃部分的工藝設(shè)計(jì)(1)用1#版定義出熱敏電阻絲和引線的圖形；(2)腐蝕玻璃4000埃(3)濺射TiW/Pt 150/4000埃；(4)剝離。至此熱敏電阻絲和引線的圖形已經(jīng)制作到玻璃上，如圖4a所示；(5)濺射TiW/Au 150/1500埃，作為腐蝕玻璃的掩膜；(6)用4#版定義出腔體的圖形；(7)腐蝕Au 1500埃，腐蝕TiW 150埃；(8)腐蝕玻璃20微米。形成玻璃腔體，同時(shí)保證金屬絲懸空；(9)腐蝕Au 1500埃，腐蝕TiW 150埃，如圖4b所示。
硅片部分的工藝設(shè)計(jì)(1)在硅片上氧化800埃。LPCVD Si3N41500埃，如圖4c所示；(2)用3#版定義出絕緣區(qū)的圖形；(3)RIE Si3N41500埃，腐蝕SiO2800埃；(4)氧化3000埃，腐蝕SiO23000埃；(5)氧化4200埃；(6)腐蝕Si3N41500埃，腐蝕SiO2800埃，如圖4d所示；(7)用4#版定義出腔體的圖形；(8)腐蝕SiO24200埃；(9)ICP Si 15微米。形成硅腔體；(10)去膠，LPCVD SiO21200埃，致密。做振動(dòng)片之間的絕緣用，如圖4e所示；鍵合以后的工藝設(shè)計(jì)(1)鍵合玻璃和硅片；(2)用KOH減薄硅片至100微米，如圖4f所示；
(3)濺射TiW/Au 150/1200埃。用作壓電陶瓷片的下電極；(4)用2#版定義出壓電陶瓷片下電極的圖形；(5)腐蝕Au 1200埃，腐蝕TiW 150埃；(6)用5#版定義出結(jié)構(gòu)區(qū)的圖形，ICP Si 100微米以釋放結(jié)構(gòu)區(qū)，貼壓電陶瓷片，如圖4g所示。
狼牙棒射流角速度傳感器的主體部分就制作完成了。
狼牙棒射流角速度傳感器可由壓電驅(qū)動(dòng)，也可由靜電驅(qū)動(dòng)，這兩種驅(qū)動(dòng)方式無本質(zhì)區(qū)別。
權(quán)利要求
1.一種射流角速度傳感器，包括振動(dòng)腔和檢測腔，振動(dòng)腔內(nèi)氣體被驅(qū)動(dòng)可循環(huán)，循環(huán)氣體流到檢測腔內(nèi)始終沿一個(gè)方向流動(dòng)，所述檢測腔內(nèi)對稱地放置兩根熱敏電阻絲，并將這兩根熱敏電阻絲接入一個(gè)惠斯登電橋，其特征在于振動(dòng)腔為兩個(gè)，在每個(gè)振動(dòng)腔兩側(cè)分別設(shè)有兩個(gè)整流腔，被驅(qū)動(dòng)的氣體經(jīng)整流腔流入檢測腔，每個(gè)整流腔為一個(gè)狼牙棒流體二極管，所述流體二極管是由若干有規(guī)律排列的狼牙棒形擋板組成。
2.如權(quán)利要求1所述的射流角速度傳感器，其特征在于振動(dòng)腔采用壓電驅(qū)動(dòng)或靜電驅(qū)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的射流角速度傳感器，其特征在于所述兩個(gè)振動(dòng)腔的腔頂各貼有一張壓電陶瓷片，兩張壓電陶瓷片由相位相反的交流電壓控制。
4.如權(quán)利要求1或2所述的射流角速度傳感器，其特征在于檢測腔位于兩個(gè)振動(dòng)腔之間。
5.如權(quán)利要求1或2所述的射流角速度傳感器，其特征在于狼牙棒形擋板與側(cè)壁的夾角為10°-80°。
6.如權(quán)利要求1所述的射流角速度傳感器，其特征在于狼牙棒形擋板在每個(gè)流體二極管中的數(shù)目為2-12。
7.一種射流角速度傳感器的制備方法，其步驟包括1)硅片/玻璃部分(1-1)將熱敏電阻絲和引線制作在硅片/玻璃上；(1-2)刻蝕硅片/腐蝕玻璃形成兩個(gè)振動(dòng)腔、四個(gè)整流腔和一個(gè)檢測腔的下半部分；2)硅片部分(2-1)選擇性氧化將絕緣層做到硅片上；(2-2)刻蝕硅片形成兩個(gè)振動(dòng)腔、四個(gè)整流腔和一個(gè)檢測腔的上半部分；3)將硅片/玻璃和硅片鍵合；4)制作振動(dòng)腔的壓電驅(qū)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的射流角速度傳感器的制備方法，其特征在于所述步驟4包括用KOH溶液減薄硅片，使振動(dòng)腔的腔頂硅膜減薄，在振動(dòng)腔的腔頂上制作壓電陶瓷片的下電極，在下電極上貼壓電陶瓷片。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種射流角速度傳感器及其制備工藝，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及加工領(lǐng)域。該傳感器包括兩個(gè)振動(dòng)腔、四個(gè)整流腔和一個(gè)檢測腔，振動(dòng)腔內(nèi)氣體被驅(qū)動(dòng)可循環(huán)，在每個(gè)振動(dòng)腔兩側(cè)分別設(shè)有兩個(gè)整流腔，被驅(qū)動(dòng)的氣體經(jīng)整流腔流入檢測腔，循環(huán)氣體在檢測腔內(nèi)始終沿一個(gè)方向流動(dòng)，所述檢測腔內(nèi)對稱地放置兩根熱敏電阻絲，并將這兩根熱敏電阻絲接入一個(gè)惠斯登電橋，所述整流腔為狼牙棒流體二極管，該流體二極管是由若干規(guī)律排列的狼牙棒形擋板組成。本發(fā)明射流角速度傳感器的尺度可縮小到幾個(gè)毫米，真正實(shí)現(xiàn)了射流角速度傳感器的微型化，大大擴(kuò)展了射流角速度傳感器的應(yīng)用范圍。
文檔編號G01P3/00GK1595169SQ200410009349
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者楊楷, 周健, 閻桂珍 申請人:北京大學(xué)