微加速度与微角速率单片集成传感器.pdf

本发明公开了一种微加速度与微角速率单片集成传感器，包括密封外壳和位于外壳内部的传感器感应芯，该感应芯为中间具有空腔的框形上下层结构，在空腔中设有与框架连接的加热器和温度传感器，加热器和下层温度传感器位于下层，构成微加速度传感器结构，上层温度传感器位于上层，构成微角速率传感器结构。本发明采用气体作为感知元件代替固体活动质量块，不存在可动结构，大大提高了器件抗冲击能力，结构简单，易于加工；加速度传感器和角速率传感器集成在同一个结构内，不存在质心误差和安装误差；下层传感器对称布置在加热器两侧或四周，测量更加精确。

1、  一种微加速度与微角速率单片集成传感器，其特征在于：包括密封外壳和位于外壳内部的传感器感应芯，该感应芯为中间具有空腔的框形上下层结构，在空腔中设有与框架连接的加热器和温度传感器，加热器和下层温度传感器位于下层，构成微加速度传感器结构，上层温度传感器位于上层，构成微角速率传感器结构。

2、  根据权利要求1所述的微加速度与微角速率单片集成传感器，其特征在于所述下层温度传感器数量为偶数，并且对称分布在加热器两侧的同一平面或不同平面内。

3、  根据权利要求1所述的微加速度与微角速率单片集成传感器，其特征在于所述上层温度传感器数量为偶数，对称分布在加热器上方的两侧同一平面或不同平面内。

4、  根据权利要求1或2所述的微加速度与微角速率单片集成传感器，其特征在于所述下层温度传感器数量为四个或八个。

5、  根据权利要求1或3所述的微加速度与微角速率单片集成传感器，其特征在于所述上层温度传感器数量为四个。

微加速度与微角速率单片集成传感器
技术领域
本发明涉及一种微加速度与微角速率单片集成传感器。
背景技术
飞行器制导与控制、工业控制、汽车安全与导航、机器人、手机、医疗仪器及虚拟游戏机等领域均需要由微加速度传感器和微角速率传感器构成的集成系统来确定载体的速度、加速度、姿态及角速度等信息。近年来，利用微机械加工技术研制的微加速度传感器和微角速率传感器具有体积小、灵敏度高、成本低等优点，给系统的设计带来极大的方便，而且需求量也越来越大。目前，国内外许多研究机构纷纷开展了微加速度传感器和微角速率传感器的集成化研究，但是大多数器件都采用组装的方式实现集成，这就带来了安装误差和质心位置误差，致使器件性能受到很大影响。
传统的微机械微加速度传感器和角速率传感器大多采用活动质量块和悬挂质量来检测加速度或角速度，因此抗冲击能力差、可靠性低。传统微机械加速度传感器和角速率传感器很难集成在一起，目前微机械加速度传感器和角速率传感器的组合多采用单独加工后两种器件装配的方式，因此存在质心误差和安装误差，严重影响测量精度。传统微机械加速度传感器和角速率传感器采用不同的感知元件，增加了结构复杂性，加工难度也比单个元件的大。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种采用气体作为感知元件，体积小、重量轻、功耗低、成本低，能够同时测量加速度和角速度的微加速度与微角速率单片集成传感器。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种微加速度与微角速率单片集成传感器，包括密封外壳和位于外壳内部的传感器感应芯，该感应芯为中间具有空腔的框形上下层结构，在空腔中设有与框架连接的加热器和温度传感器，加热器和下层温度传感器位于下层，构成微加速度传感器结构，上层温度传感器位于上层，构成微角速率传感器结构。
本发明的改进在于：下层温度传感器数量为偶数，并且对称分布在加热器两侧的同一平面或不同平面内，其优选方案温度传感器数量为四个或八个。
本发明的进一步改进在于：上层温度传感器数量为偶数，对称分布在加热器上方的两侧同一平面或不同平面内，其优选方案温度传感器数量为四个。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用气体作为感知元件代替固体活动质量块，不存在可动结构，大大提高了器件抗冲击能力；加速度传感器和角速率传感器集成在同一个结构内，不存在质心误差和安装误差；采用密闭腔体内的气体作为共同感知元件，结构简单，易于加工；下层传感器对称布置在加热器两侧，测量更加精确；具有体积小、重量轻、功耗低、成本低，测量精度高，结构简单，易于加工的特点。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明内部感应芯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明采用密闭腔体内的气体(如氩气、氮气、二氧化碳等)作为感知元件，代替传统的活动质量块，同时将微加速度传感器和微角速率集成在单个器件内，采用沉积、光刻等微机械加工工艺制作，以克服传统组装方式生产的微加速度传感器和微角速率传感器装配带来的安装误差和质心误差。
本发明传感器感应芯包括上层的微角速率传感器和下层的微加速度传感器，感应芯为中间具有空腔的框架形的上下层结构，在空腔中设有与框架连接的加热器和温度传感器，由于加速度测量利用的是气体在加速度作用下产生的温度场的变化，当没有加速度作用时，腔体内的气体受热在重力场下作自然对流，其温度梯度在加热器两侧完全对称，加热器和下层温度传感器位于下层，温度传感器数量为偶数，均匀对称分布在加热器的两侧，且与加热器位于同一平面内，构成微加速度传感器结构，其优选的实施方案为四个温度传感器，由于角速率测量利用的是加热气体在重力场作用下发生对流产生的速度，当没有角速度作用时，加热器两侧气体流速相等，方向相反，对流场分布完全对称，上层温度传感器数量为偶数，对称分布在加热器上方的两侧同一平面内，其优选方案温度传感器数量为四个，分别位于加热器的周边四角的位置上，构成微角速率传感器结构。
作为本发明的一个具体实施例，其结如图1、2所示，由密封外壳2和位于密封外壳2内的感应芯组成，其中感应芯是具有空腔的上下层框架结构，上下层传感器1、3和加热器4位于空腔内并和框架连接，该感应芯上层框架5和下层框架6的结构均采用硅衬底(或者玻璃、石英、陶瓷、砷化镓等)，通过沉积、刻蚀等微机械加工工艺制成，上下层框架通过键合工艺(如金硅键合工艺)制作在一起，下层温度传感器3为四个，均匀对称分布在加热器4的两侧同一平面内，构成检测电路，该平面位于下层框架6的顶面，上层温度传感器1为四个，构成检测电路，位于加热器4上方的同一平面内，并且温度传感器分别位于加热器4在该平面投影的周边四角上，有利于提高测量精度和灵敏度。