專利名稱：一種基于熱平衡的水平傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，具體來說，涉及ー種基于熱平衡的水平傳感器。
背景技術(shù)：
水平儀在工程、建筑以及實(shí)驗(yàn)室等各種環(huán)境有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的水泡型的水平儀分測量ー維水平誤差的長水泡和測量ニ維水平面的圓水泡。一維結(jié)構(gòu)測量精度高，但做ニ維測量時需要相互垂直的兩個，占用體積大且不能實(shí)現(xiàn)自動測量系統(tǒng)。ニ維測量的圓水泡精度較差，同樣也不能和測量電路集成。由頃角傳感器實(shí)現(xiàn)水平測量是目前測量系統(tǒng)的主要構(gòu)成方式。頃角傳感器從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種，它們各有所長。氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當(dāng)腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發(fā)生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應(yīng)。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交 換引起的。傳統(tǒng)的頃角傳感器體積較大，如型號為41M/CJRS的氣體擺式傾角傳感器體積達(dá)到直徑60毫米，高80毫米。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，采用微加工技術(shù)降低器件的尺寸是目前技術(shù)革新的努力方向。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種基于熱平衡的水平傳感器，該結(jié)構(gòu)的水平傳感器利用測得的相互正交的兩組水平信息，得出物體的傾斜角度，并且該水平傳感器體積小、功耗低。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是ー種基于熱平衡的水平傳感器，該水平傳感器包括襯底、絕緣層、測溫元件、加熱元件和熱隔離封裝罩，絕緣層貼覆在襯底的上表面，測溫元件、加熱元件和熱隔離封裝罩分別固定在絕緣層的上表面，測溫元件和加熱元件位于熱隔離封裝罩內(nèi)部，熱隔離封裝罩內(nèi)部呈密封狀態(tài)；測溫元件為四個，測溫元件位于加熱元件的周邊，每個測溫元件到加熱元件的距離相等，且相對的測溫元件以加熱元件為中心，相互對稱，相鄰的測溫元件相対的端部距離均相等；襯底的橫截面為正方形，且襯底橫截面的邊長為I一5mm，襯底高度為0. 2—Imm,熱隔離封裝罩的高度為0. 2一1mm。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I.體積小、功耗底。傳統(tǒng)的頃角傳感器體積較大,如型號為41M/CJRS的氣體擺式傾角傳感器體積達(dá)到直徑60毫米，高80毫米。而本發(fā)明的傳感器襯底橫截面的邊長為I一5mm,襯底高度為0. 2一Imm,熱隔離封裝罩的高度為0. 2一1mm。本發(fā)明的傳感器體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的頃角傳感器。由于體積大幅縮小，因此整個傳感器的功耗顯著降低。傳統(tǒng)的傳感器為瓦級功耗，而本發(fā)明的傳感器的功耗可低至IOOmW左右。2.傳感器可靠性好，且容易小型化。本發(fā)明傳感器中的襯底、絕緣層、測溫元件、カロ熱元件和熱隔離封裝罩均為固定件，在整個測量過程中，不會發(fā)生移動。傳感器可靠性好。在測量時，傳感器各部件工作穩(wěn)定，有利于提高測量的準(zhǔn)確性。同時，本發(fā)明傳感器采用半導(dǎo)體制造エ藝制造，容易實(shí)現(xiàn)小型化。3.成本低廉。本發(fā)明的傳感器可以采用半導(dǎo)體エ藝加工和進(jìn)行圓片級封裝，成本低廉。同時本發(fā)明中的襯底采用硅材料，也有利于降低制作成本。4.靈敏度高。本發(fā)明的傳感器中設(shè)有熱隔離封裝罩。通過熱隔離封裝罩，將熱隔離封裝罩內(nèi)的空氣與外部環(huán)境隔離。這樣外部氣流就不能對熱隔離封裝罩內(nèi)的空氣產(chǎn)生影響。測溫元件對其周圍空氣溫度的測量就不會受到外部氣流的影響。這樣可以提高測溫元件測量的靈敏度，有利于提高測量物體傾斜角度的準(zhǔn)確性。


圖I為本發(fā)明中絕緣層、測溫元件和加熱元件組裝后的俯視圖。圖2為本發(fā)明的正視圖。 圖中有襯底1，絕緣層2，測溫元件3、加熱元件4和熱隔離封裝罩5。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖I和圖2所示，本發(fā)明的ー種基于熱平衡的水平傳感器，包括襯底I、絕緣層
2、測溫元件3、加熱元件4和熱隔離封裝罩5。襯底I可由硅制成。測溫元件3可以為溫度傳感器。加熱元件4可以為電阻。絕緣層2貼覆在襯底I的上表面。測溫元件3、加熱元件4和熱隔離封裝罩5分別固定在絕緣層2的上表面，測溫元件3和加熱元件4位于熱隔離封裝罩5內(nèi)部，熱隔離封裝罩5內(nèi)部呈密封狀態(tài)。熱隔離密封罩5用于將外界空氣與熱隔離密封罩5內(nèi)部的空氣隔離開來，使得熱隔離封裝罩5內(nèi)部呈密封狀態(tài)。測溫元件3為四個，測溫元件3位于加熱元件4的周邊，每個測溫元件3到加熱元件4的距離相等，且相對的測溫元件3以加熱元件4為中心，相互對稱，相鄰的測溫元件3相対的端部距離均相等。也就是說，四個測溫元件3所處位置的延長線相交后，形成ー個正方形；四個測溫元件3分別處于正方形的一條邊上，且每個測溫元件3的端部到其所在正方形的邊的端點(diǎn)的距離相等。襯底I的橫截面為正方形，且襯底I橫截面的邊長為I—5mm，襯底I高度為0. 2—Imm,熱隔離封裝罩5的高度為0. 2 — 1mm。本發(fā)明的水平傳感器中，為了減小由硅制成的襯底的高熱傳導(dǎo)率的影響，提高傳感器的靈敏度，加熱元件4和測溫元件3均制造在隔熱薄膜上，即加熱元件4和測溫元件3位于絕緣層2上。這樣，測溫元件3和加熱元件4均不直接與襯底I接觸，減少了熱量向襯底I傳遞。絕緣層2有效隔離了熱量向村底I的傳遞。設(shè)置熱隔離密封罩5，避免外部環(huán)境氣流對測量的影響。同時，測溫元件3和加熱元件4采用了ニ維對稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得該水平傳感器可以同時得到相互正交的兩組水平信息。本發(fā)明是ー種具有ニ維對稱結(jié)構(gòu)的水平傳感器。該結(jié)構(gòu)的水平傳感器利用熱溫差原理測量水平狀態(tài)，具體工作過程是首先，將水平傳感器放置在被測物體的表面，使得水平傳感器的襯底I與被測物體的表面貼合。然后，通過給傳感器上的加熱元件4通電流，對加熱元件4進(jìn)行加熱，加熱元件4產(chǎn)生的熱量直接向熱隔離密封罩5內(nèi)的空氣擴(kuò)散，并傳遞到測溫元件3上。由于熱隔離密封罩5的隔離作用，加熱元件4產(chǎn)生的熱量不會向熱隔離密封罩5外部環(huán)境中擴(kuò)散。隨后，四個測溫元件3分別采集其上方的空氣溫度。通過將相對的兩個測溫元件3的電壓輸出進(jìn)行簡單的差分放大，將測溫元件3采集的溫度進(jìn)行比較，得出兩組相對的測溫元件3上的熱溫差。當(dāng)相對的測溫元件3上的熱溫差為O吋，說明這兩個測溫元件3所處方向的位置為水平狀態(tài)，沒有傾斜。當(dāng)相対的兩個測溫元件3上的熱溫差為不為O吋，說明這兩個測溫元件3所處方向的位置為傾斜狀態(tài)。由于熱溫差和傾斜角度滿足單調(diào)關(guān)系。當(dāng)獲得水平方向的溫差和垂直方向的溫差后，利用垂直方向的溫差除以水平方向的溫差，得到的值取反正切，就得到了整個物體的傾斜角度。也就是說，對兩組熱溫差，利用正交原理，進(jìn)行測算，即可得出整個物體的傾斜角度。該結(jié)構(gòu)的水平傳感器由半導(dǎo)體薄膜エ藝形成，制作過程為首先通過熱氧化在硅片上形成ー層厚的氧化硅隔熱絕緣層，然后濺射金屬薄膜，如Pt，井光刻形成測溫元件3和加熱元件4的對稱結(jié)構(gòu)。為了方便壓焊，表面一般還要濺射金或鋁并光刻形成壓焊區(qū)。接下來在玻璃基板上通過腐蝕形成深槽，通過鍵合形成熱隔離封裝罩5的密封。該水平傳感器采用半導(dǎo)體エ藝制造，便于和測量電路集成。
進(jìn)ー步，所述的襯底I中有空腔，該空腔位于測溫元件3和加熱元件4的下方，且空腔頂面到襯底I頂面的距離小于10微米。在襯底I中設(shè)置空腔，且空腔靠近襯底I頂面，可以減少加熱元件4產(chǎn)生的熱量向村底I擴(kuò)散，進(jìn)而使得測溫元件3采集的空氣溫度更加精準(zhǔn)。進(jìn)一歩，為保證熱隔離封裝罩5的隔熱作用，使得熱隔離封裝罩5內(nèi)部和外部空氣之間不會發(fā)生熱量傳遞，確保測溫元件3采集空氣溫度精準(zhǔn)，所述的熱隔離封裝罩5的傳熱系數(shù)越低越好。作為優(yōu)選，熱隔離封裝罩5由玻璃制成。進(jìn)ー步，為便于エ藝制造和降低成本，所述的襯底I由硅制成。
權(quán)利要求
1.一種基于熱平衡的水平傳感器，其特征在于，該水平傳感器包括襯底(I)、絕緣層(2)、測溫元件(3)、加熱元件(4)和熱隔離封裝罩(5)，絕緣層(2)貼覆在襯底(I)的上表面，測溫元件(3)、加熱元件(4)和熱隔離封裝罩(5)分別固定在絕緣層(2)的上表面，測溫元件(3)和加熱元件(4)位于熱隔離封裝罩(5)內(nèi)部，熱隔離封裝罩(5)內(nèi)部呈密封狀態(tài)；測溫元件(3)為四個,測溫元件(3)位于加熱元件(4)的周邊,每個測溫元件(3)到加熱元件(4)的距離相等，且相對的測溫元件(3)以加熱元件(4)為中心，相互對稱，相鄰的測溫元件(3)相對的端部距離均相等；襯底(I)的橫截面為正方形，且襯底(I)橫截面的邊長為I 一 5mm，襯底(I)高度為O. 2 — 1mm，熱隔離封裝罩(5)的高度為O. 2 — 1mm。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于熱平衡的水平傳感器，其特征在于，所述的襯底(I)中有空腔，該空腔位于測溫元件(3)和加熱元件(4)的下方，且空腔頂面到襯底(I)頂面的距離小于10微米。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于熱平衡的水平傳感器，其特征在于，所述的熱隔離封裝罩(5)由玻璃制成。
4.按照權(quán)利要求I所述的基于熱平衡的水平傳感器，其特征在于，所述的襯底(I)由硅制成。
5.按照權(quán)利要求I所述的基于熱平衡的水平傳感器，其特征在于，所述的測溫元件(3)為溫度傳感器。
6.按照權(quán)利要求I所述的基于熱平衡的水平傳感器，其特征在于，所述的加熱元件(4)為電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于熱平衡的水平傳感器，該水平傳感器包括襯底、絕緣層、測溫元件、加熱元件和熱隔離封裝罩，絕緣層貼覆在襯底的上表面，測溫元件、加熱元件和熱隔離封裝罩分別固定在絕緣層的上表面，測溫元件和加熱元件位于熱隔離封裝罩內(nèi)部，熱隔離封裝罩內(nèi)部呈密封狀態(tài)；測溫元件為四個，測溫元件位于加熱元件的周邊，每個測溫元件到加熱元件的距離相等，且相對的測溫元件以加熱元件為中心，相互對稱，相鄰的測溫元件相對的端部距離均相等。該結(jié)構(gòu)的水平傳感器利用測得的相互正交的兩組水平信息，得出物體的傾斜角度，并且該水平傳感器體積小、功耗低。
文檔編號G01C9/00GK102759342SQ20121022763
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月30日
發(fā)明者周麟, 秦明, 陳升奇, 項(xiàng)天彧, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)