[发明专利]三轴热对流加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，尤其是涉及一种应用于微机械传感领域的三轴热对流加速度传感器。

背景技术

加速度传感器能够测量加速度、速度、位移和倾斜度等物理量，是一种应用十分广泛的惯性传感器。但是，传统机械加工方法制造的加速度传感器因体积大、质量大、成本高，应用场合受到很大限制。近年来，利用微机械加工技术研制的微型加速度传感器是一种典型的MEMS(Micro Electro MechanicalSystem缩写成MEMS)器件，它克服了传统加速度传感器的缺点，给系统的设计带来极大的方便，已成为微机械研究领域的热点。微加速度传感器具有体积小、灵敏度高、成本低等优点，被广泛应用于微型卫星、自动控制、导航、GPS、手机、汽车安全系统以及虚拟游戏机等诸多领域。加速度传感器根据检测轴向可以分为单轴加速度传感器、双轴加速度传感器和三轴加速度传感器，它的轴向越多实现的难度越大，因此，三轴的加速度传感器的加工难度远远大于单轴加速度传感器。目前三轴加速度传感器的实现方法大多采用单轴组合的方式，或者一个单轴与一个双轴组合的方式，这些方法相对容易实现，但这种方法会产生安装误差和质心位置误差。采用MEMS技术能够制造出不同工作方式的加速度传感器，例如：压阻式、隧道电流式和电容式等，但是这些类型的器件多数都存在着悬挂质量块，所以不能耐受大的加速度冲击。

气体敏感加速度传感器由封闭腔体、加热器和一对对称的温度传感器构成。加热器和温度传感器悬在腔体内，加热器加热使其周围的气体温度升高、密度减小。在重力加速度的作用下，腔体内的气体发生对流。这样位于加热器相等距离上的一对温度传感器就能测量到加热器两边的温度差。器件封装在密封的隔热管壳内，防止外部气流和温度对器件的影响。加速度传感器的敏感方向是与成对的温度传感器形成的轴线平行的方向。敏感方向无加速度时，腔体内被加热的气体只在重力加速度的作用下发生均匀的对流，加热器水平两边相等位置上的温度相等，两个温度传感器的输出相等；敏感方向有加速度时，腔体内的气体在重力加速度和外在加速度的联合作用下对流，加热器水平两边相等位置上出现温度差，两个温度传感器的输出就产生差异。若两个温度传感器采用热敏电阻，可与外接的两个参考电阻构成电阻电桥。这样外界的加速度信号就可以转化为电桥的输出电压信号。目前公开的气体敏感加速度传感器一般只有单轴的和双轴的两种，单敏感元件的三轴热对流加速度传感器还没有公开的技术。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种结构为一体的、采用单一敏感元件的三轴热对流加速度传感器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明采用气体作为敏感元件，气体被封闭限定在一封闭腔体的空间内，作为唯一的敏感元件，在封闭的腔体内的X、Y、Z方向分别设置有温度传感器，在封闭腔体的中心设置加热器。温度传感器等距离对称的分布在X、Y、Z三个轴向上，在X、Y、Z三个轴向上的温度传感器的特性值相同并完全对称。X、Y、Z三轴的温度传感器共用腔体中的气体。加热器和温度传感器上分别设置有引线与外部相连。

本发明利用MEMS技术对封闭腔体、加热器和温度传感器进行加工。本发明的三轴热对流加速度传感器的结构具体由三层组成，在三个轴向上、加热器两侧各有一对或者两对特性值相同的温度传感器对称分布在加热器两侧。第2层是一个双轴热对流加速度传感器，即在第2层平面上分别设置有两组温度传感器，左右方向的一组温度传感器为X方向，前后方向的一组温度传感器为Y方向；第1层和第3层的温度传感器组成Z轴方向上的一组温度传感器，它们等距离对称的分布在加热器的上下两侧。

本发明的加热器的具体结构为：加热器的形状为中心对称的图形。此中心对称的加热器可以是中空的框形，也可以是实心的图形。

上述技术方案的进一步改进在于：加热器的形状为方形、圆形或者中心对称的多边形的其中一种。加热器的引线在方形的四个角、或者圆形的直径方向、或者中心对称的多边形的轴线方向对称引出。

本发明的温度传感器可以为热敏电阻、热电偶、热电堆等温度传感器的其中一种。

如果本发明的温度传感器为热敏电阻时，在X、Y、Z轴上分别设置两对电阻值相等的检测电阻，它们在X、Y、Z轴方向分别构成电桥检测电路。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：