硅微机械双通道循环流式Z轴角速度传感器技术领域
本发明属于利用哥氏力偏转射流敏感体检测运动体角速度姿态参数的技术领域，尤其是涉及一种硅微机械双通道循环流式Z轴角速度传感器。
背景技术
目前，以微机械振动陀螺为代表的微型角速度传感器，角速度芯片是由不同结构的振动部件构成，不仅在稍高加速冲击下容易断裂或损坏，而且在制作过程中为了减少阻尼需要真空封装使得其工艺复杂，造成长时间工作时会产生疲劳损坏。相比之下，气流式角速度传感器不需要振动部件，结构简单，有能承受高过载、寿命长和成本低等其它角速度传感器难以媲美的优点，其应用范围更广泛。中国专利89105999.7提出的高灵敏度压电射流角速度传感器，它由敏感器件的壳体、喷嘴体、敏感元件、压电泵、泵座、碟簧、锁紧螺母和外部电路系统以及机械系统组成，这种角速度传感器的敏感元件是用铜、铝或不锈钢等材料利用传统机械加工制作，敏感元件体积大，功率高，不能用于微型载体姿态测量和控制领域，它的热线是手工焊接，很难保证热线的平行度和垂直度，因此交叉耦合大，一致性差，很难批量生产，成本高。现有技术中用硅片制作射流网络，通常采用MEMS工艺在一个硅圆片的表面腐蚀出气流通道，由于硅片的厚度只有300μm左右，因此射流网络深度一般不及硅片厚度的一半，因此射流网络的尺度很小，气体容量小，与热线的热交换少，角速度传感器灵敏度会很小，无法实用化；它在硅圆片上实现压电泵驱动气体流动通常将压电泵振子有效变形面积与气流通道的截面积相对应，以便使压电泵振子的变形方向(振动方向)沿着硅圆片横向方向(与硅圆片表面垂直的截面积方向)与气流通道的长度方向一致，因此压电泵振子的大小往往小于1×1mm，这在实际工艺中很难实现粘接，同时由于压电泵振子尺寸过小，驱动气体的能力弱，气流速度小，角速度传感器灵敏度小。
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。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种硅微机械双通道 循环流式Z轴角速度传感器(Z轴角速度传感器是指角速度敏感轴垂直于角速度芯片表面的角速度传感器)，该气流式角速度传感器用一个压电陶瓷圆振子驱动双通道循环流，不仅结构简单，寿命长，功耗低，同时实现了压电陶瓷圆振子变形方向和射流网络平面的转向，压电陶瓷圆振子的面积大，驱动能力强，射流速度大，气流式角速度传感器的灵敏度高；热线独立设置在两个不同的射流敏感室内分别与两个射流敏感体进行热量交换，彼此独立，互不影响，不仅敏感的角速度稳定性好，而且两对热线分别串联，热线电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，传感器灵敏度高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种硅微机械双通道循环流式Z轴角速度传感器，所述气流式角速度传感器由双通道循环流式Z轴角速度芯片、PCB电路板、底座、外壳、缓冲硅胶片、引线组成，所述的缓冲硅胶片、双通道循环流式Z轴角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板依次装在底座上，扣上外壳密封，电源和信号经底座上玻璃灌装的引线引出，所述双通道循环流式Z轴角速度芯片包括PET盖板、硅板和PET底座；其中，
所述压电陶瓷圆振子嵌入至所述PET上盖上；所述上硅板上设置有射流网络；所述下硅板上设置有射流网络和热线；所述PET上盖、上硅板、下硅板和PET底盖依次粘接构成所述角速度芯片。
进一步，所述PET上盖的中心开设一圆形泵槽，在所述泵槽的中心开设一圆形泵孔，泵槽的边缘为一高度为PET上盖厚度1/2的台阶，将所述压电陶瓷圆振子粘接在所述台阶上。
进一步，所述上硅板与所述圆形泵孔对应处开设一形状尺寸与圆形泵孔相同的圆柱形泵腔，在所述泵腔圆周上相隔半个周长开口形成两个截面为倒梯形的排气孔，所述排气孔的末端为两个排气口；所述排气口外设置一圆环形排气室；以所述排气室的圆心为中心，在圆环形排气室的圆周上放射状交替均匀开设两组共四个长方形孔；其中，两个所述排气孔对应两个集流槽；与两个所述集流槽相邻的是两个上敏感射流孔，所述上敏感射流孔的始端与所述排气室相通；所述集流槽的末端和所述上敏感射流孔的末端由圆环形回流槽连通。
进一步，所述集流槽与所述排气室相通处做倒梯形过渡，与所述排气口对应，所述集流槽的末端的宽度大于集流槽始端的宽度；所述上敏感射流孔的宽度为所述集流槽的4倍，其末端向所述圆环形回流槽延伸形成两个长方形喷嘴孔，所述长方形喷嘴孔的长度为上敏感射流孔长度的1/11。
进一步，所述下硅板上开设与所述上硅板上的两个上射流敏感孔位置相互对应、大小形状完全相同的两个下敏感射流孔，在下硅板的表面设置两对平行热线，所述两对平行热线用于敏感z方向角速度；所述上硅板和下硅板粘接以后形成的气体空间为射流网络，粘接上所述PET上盖和所述PET底盖后构成封闭的射流网络；所述泵腔、泵孔和泵槽构成泵室。
进一步，所述射流网络由所述泵室、两个排气口、排气室、两个集流槽的始端的进口、圆环形回流槽、两个喷嘴孔末端的喷嘴口、两个上敏感射流孔和两个下敏感射流孔组成的两个射流敏感室A、B以及所述射流敏感室A、B的末端的出口构成。
进一步，敏感z方向角速度的两对平行热线分别设置在射流敏感室A、B中间处的下硅板的表面，并与射流敏感室A、B的轴线平行，热线的长度为射流敏感室A、B长度的一半。
进一步，所述压电陶瓷圆振子的激励电压由所述PCB电路板上的压电泵驱动电路提供。
进一步，所述热线由高温度系数的金属钨、SiO2和Si构成，所述下硅板的边缘被覆电极，所述PET上盖和上硅板开相应的开口以便露出下硅板的电极，便于与PCB电路板实现电气连接。
进一步，所述PET上盖和PET底盖利用PET薄板采用高精度激光切割成型加工工艺制作，所述上硅板和下硅板采用标准的MEMS工艺制作。
进一步，所述压电陶瓷圆振子的直径略小于所述泵槽的直径，便于粘接在所述台阶上。
本发明具有以下积极的技术效果：
(1)热线独立设置在两个不同的射流敏感室内分别与两个射流敏感体进行热量交换，彼此独立，互不影响，不仅敏感的角速度稳定性好，而且两对热线分别串联，热线电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，传感器灵敏度高。
(2)用一个压电陶瓷圆振子驱动双通道循环流，不仅结构简单，寿命长，功耗低，同时实现了压电陶瓷圆振子变形方向和射流网络平面的转向，压电陶瓷圆振子的面积大，驱动能力强，射流速度大，气流式角速度传感器的灵敏度高。
(3)采用的光刻技术能保证角速度芯片中热线的正交性和垂直度，交叉耦合小，一致性好。
(4)上下硅板键合为射流网络，没有热应力的失配产生的蠕变，气流式角速度传感器的长期稳定性好。
附图说明
图1为本申请的立体图；
图2为本申请的双通道循环流式Z轴角速度芯片分体状态的立体图；
图3为本申请的PET上盖的立体图；
图4为本申请的上硅板的立体图；
图5为本申请的下硅板的立体图；
图6为本申请的信号处理电路的示意图；
图7为本申请的惠斯登电桥的示意图；
图8为本申请的硅微机械双通道循环流式Z轴角速度传感器的灵敏度曲线。
图中标号说明：1-双通道循环流式Z轴角速度芯片；2-PCB电路板；3-底座；4-外壳；5-缓冲硅胶片；6-引线；7-PET上盖；8-上硅板；9-下硅板；10-PET底盖；11-压电陶瓷圆振子；12-泵槽；13-泵孔；14-台阶；15-泵腔；16a、16b-排气孔；17a、17b-排气口；18-排气室；19a、19b-两个集流槽；20a、20b-上敏感射流孔；21a、21b-喷嘴孔；22-回流槽；23a、23b-下敏感射流孔；24a和24b、25a和25b-两对平行热线；26泵室；27a、27b-进口；28a、28b-喷嘴口；A、B-射流敏感室；29a、29b-出口；30-压电泵驱动电路；31-惠斯登电桥；32a、32b-惠斯登电桥31的两个臂。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可 以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
如图1所示，本发明硅微机械双通道循环流式Z轴角速度传感器由双通道循环流式Z轴角速度芯片1、PCB电路板2、底座3、外壳4、缓冲硅胶片5、引线6组成，缓冲硅胶片5、双通道循环流式Z轴角速度芯片1和与其实现电气连接的PCB电路板2依次装在底座上3，扣上外壳4密封，电源和信号经底座3上玻璃灌装的引线6引出。双通道循环流式Z轴角速度芯片1包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)上盖7、上硅板8、下硅板9、PET底盖10和压电陶瓷圆振子11(如图2所示)。
双通道循环流式Z轴角速度芯片1由嵌入压电陶瓷圆振子11的PET上盖7、有射流网络的上硅板8、有射流网络和表面设置热线的下硅板9和PET底盖10等四层正方形平板粘接而成。
如图3所示，PET上盖7的中心开直径为平板边长1/2的圆形泵槽12，在泵槽12的中心开一圆形泵孔13，直径为泵槽12半径的1/2。在泵槽12的边缘为一高度为PET上盖厚度1/4的台阶14，将压电陶瓷圆振子11粘接在此台阶14上。
如图4所示，上硅板8与PET上盖7圆孔对应处开一形状尺寸与其相同的圆柱形孔为泵腔15，在泵腔15圆周上相隔半个周长开口形成两个截面为倒梯形的排气孔16a、16b，其末端为排气口17a、17b。排气口17a、17b与一圆环形排气室18联通。以排气室18的圆心为中心，在圆环形排气室18的圆周上放射状交替均匀开两组共四个长方形孔。其中，两个排气孔16a、16b对应两个集流槽19a、19b。与集流槽19a、19b相邻的是两个上敏感射流孔20a、20b，其始端与排气室18内相通。在集流槽19a、19b与排气室18相通处做倒梯形过渡，与排气口对应，集流槽19a、19b的末端的宽度略大于其始端。上敏感射流孔20a、20b的宽度为集流槽的4倍左右，上敏感射流孔20a、20b的末端延伸形成长方形喷嘴孔21a、21b，其长度为上敏感射流孔20a、20b的1/11。集流槽19a、19b的末端和敏感射流孔17a、17b的末端由圆环形回流槽22联通，并彼此交替均匀对称地分布在回流槽22上。如图5所示，下硅板9开与上硅板8的两个上敏感射流孔20a、20b位置相互对应的大小形状完全相同的两个下敏感射流孔23a、23b，在下硅板9的表面设置两对平行热线24a和24b、25a和25b。上硅板8和下硅板9粘接以后形成的气体空间为射流网络，加上PET上盖7和PET底盖10从而构成封闭的射流网络。三个圆柱形构成的泵腔15、泵孔13和 泵槽12构成泵室26。射流网络由与压电陶瓷圆振子相互对应的泵室26、排气孔末端排气口17a、17b、排气室18、集流槽19a、19b的始端的进口27a、27b、圆环形回流槽23、喷嘴孔22a、22b末端的喷嘴口28a、28b、上敏感射流孔20a、20b和下敏感射流孔24a、24b组成的射流敏感室A、B以及射流敏感室A、B的末端的出口29a、29b构成。
敏感z方向角速度的两对平行热线24a和24b、25a和25b分别设置在射流敏感室A、B中间处的下硅板9的表面(z方向垂直于下硅板9的表面)，并与射流敏感室A、B的轴线平行，两对平行热线24a和24b、25a和25b的长度为射流敏感室A、B长度的一半。压电陶瓷圆振子11的激励电压由pcb电路板2上的压电泵驱动电路31提供，在交变电压的作用下沿着双通道循环流式Z轴角速度芯片1厚度方向变形，驱动气体流动，由于进口28a、28b截面小于出口30a、30b截面，利用在相同压力变化条件下进口和出口之间产生的气体阻力代替单向阀的作用，实现气体由进口27a、27b进，出口29a、29b出的定向流动。气流中心平面和热线不共面，所在平面相距几百微米。热线24a和24b、25a和25b由高温度系数的金属钨、SiO2和Si构成，下硅板9的边缘被覆电极，PET上盖7和上硅板8开相应的口以便露出下硅板9的电极，便于与pcb电路板2实现电气连接。pcb电路板2中有信号处理电路，如图6、7所示，主要是电源、压电泵驱动电路30和惠斯登电桥31。热线24a、25a串联构成敏感z方向角速度的惠斯登电桥31的一个臂32a，热线24b和25b串联构成惠斯登电桥31的另外一个臂32b。当有角速度输入时，由喷嘴喷出射流发生偏转，与相应的热线发生的热量交换，使热线阻值改变，从而电桥失去平衡，输出与角速度成正比的电压信号VZ。
本申请的优点是：
(1)热线独立设置在两个不同的射流敏感室内分别与两个射流敏感体进行热量交换，彼此独立，互不影响，角速度稳定性好。
(2)本发明是平面叠层结构，其中只有上下硅板需要用到标准的MEMS工艺，其它上下两层则可以用高精度激光切割成型加工就能完成，因此很容易仅仅使用一个掩模版就可以实现角速度芯片结构，因此工艺简单，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，不仅可以提高角速度传感器器的性能，而且可实现批量生产。
(3)一个压电陶瓷圆振子驱动两个通道的气流流动，实现了压电陶瓷圆振子变形方向和射流网络平面的转向，即实现了压电振子可以在硅片平面上设置， 而不是在硅片的侧面粘接压电陶瓷圆振子，因此压电陶瓷圆振子的面积可以做得很大，驱动能力强，射流速度大，气流式角速度传感器的灵敏度高。
优选地，本申请的双通道循环流式Z轴角速度芯片的PET上盖和PET底盖利用PET薄板采用成熟的高精度激光切割成型加工工艺制作，上硅板、下硅板采用标准的MEMS工艺制作。其工艺如下：
(1)在一个厚为200μm的下硅板9(衬底)上下各形成一个热氧化层SiO2作为绝缘层。
(2)硅片上表面溅射大约0.3μm厚的有高TCR(温度系数)的金属层，如钨，用光刻技术在下硅片的形成两个射流敏感室A、B和两对悬空的热线24a和24b、25a和25b。
(3)PET上盖7和PET底盖10可以在厚度为1.8mm的PET上通过高精度激光切割成型输入设计好的相应图形加工而成，PET底盖背面的台阶表面溅射一层金属电极，粘贴压电陶瓷圆振子11。
(4)将上硅板8与PET上盖7板粘接，用深反应离子刻蚀在上硅板8上形成射流网络。
(5)将有压电陶瓷圆振子11的PET底盖10倒置和下硅板9的背面粘接。
(6)将含有PET上盖7的上硅板8和下硅板9键合，并将下硅板9和PET底盖10粘接形成角速度芯片。
上述加工方式的优点是：
(1)热线采用的光刻技术能保证角速度芯片中热线的正交性和垂直度，交叉耦合小。
(2)充分利用了两个硅片的厚度构建射流网络，PET上盖和底盖只起到封闭气流网络的作用。两个硅片键合，减小了不同材料失配造成热应力的长期失衡和释放，没有热应力的失配产生的蠕变，气流式角速度传感器的长期稳定性好。这种结构的角速度传感器既充分利用了硅片可以制作热线的优点，又同时考虑了PET制作气流通道的廉价、易加工性，因此角速度传感器的稳定性好、成本低，这种层状结构的微型角速度传感器为全硅结构气流式角速度传感器成本的1/10。
(3)该角速度传感器利用标准体硅MEMS工艺和成熟的微型压电泵制造技术，热线(热敏电阻)与射流中心轴平行，气流通道和热线能在一个硅片上制作，可将多轴角速度传感器兼容并集成在单个芯片上，适合批量生产，成本低，有利于早日商品化。
热线的敏感机理遵循能量交换原理，当输入角速度的方向不同时，偏转的方向也不同，从而对两根热线的影响也不同，这样就可以辨识出角速度的方向。
假设有沿着z轴角速度作用传感器时，气流受到哥氏力的作用，哥氏加速度表示为
式中，ωz和分别表示从相应的喷嘴到热线24a和24b(热线25a和25b)的流速矢量、沿着z轴的外加角速度矢量和哥氏加速度矢量。气流束的偏移量δz是对式(1)的双重积分
式中，Lz和Vz分别表示喷嘴口到热线24a和24b(热线25a和25b)的距离、气流在Lz段的平均速度。
灵敏度关系式：
通过对分析热线和层状射流之间的热传递现象，可以得到气流式角速度传感器灵敏度的性能。一根热线电阻的变化和流速的关系如下：
式中，l是热线(热敏电阻)的长度。
速度增量ΔV和角速度ωi的关系式：
因为气流的偏移量很小，而且热线被设置在流速分布的线性区域，热线上速度增量ΔV和角速度ωi引起的偏移量δωi是成比例的，因此它也和实际角速度ωi成比例，得到：
式中，Ki为一常数，由热线Ri的流速分布的梯度决定；Li为从喷嘴口到热线的距离，Vi为气流从喷嘴口到热线段的平均流速。
设热线电流为I，把(4)代入式(3)可得传感器的输出电压为
式中，l是热敏电阻的长度，λ为气体的导热系数，α为热线的电阻温度系数，I为热线通电电流，RTH0为未加角速度时热线的初始电阻值，Nu为努塞尔数(Nusselt Number)，V为气流从喷嘴口流向热线的初始流速，n为经验常数，0.2到0.33之间，ΔV为热线上气流速度增量。
根据式(5)可以计算角速度传感器的灵敏度，图8给出本发明模拟敏感度，从图中可以看出，灵敏度SFz＝12.0μV/°/s。
上述方式的优点是：
设置两个射流敏感室，热线分别串联，热线电阻大，在通以相同热线电流情况下，角速度输出电压大，比普通单射流敏感室的气流式角速度传感器的灵敏度高4倍。