[发明专利]一种微型热驱动气流陀螺及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型角速度传感器，特别是涉及一种微型热驱动气流陀螺及其制作方法。

背景技术

微型、高性能的惯性传感器在航空、航天、车辆、船舶、机器人等行业有广泛的应用需求，微角速率陀螺就是其中一员。常规微角速率陀螺采用固体质量块振动，并采用电容等方式检测哥氏力产生的质量块在与驱动方向垂直方向上的运动，该设计结构复杂，有活动部件(质量块)，需要采用复杂的硅加工工艺，工艺难度较大，由此带来可靠性差，产品合格率低。

基于流体的角速度传感器以流体代替运动质量块，不仅可以简化传感结构，并可以极大地提高传感器的抗冲击能力。基于单向射流的角速度传感目前已经在宏观结构中得以实现，例如专利US5107707-A。利用该专利技术公开的传感结构进行角速度检测时，不能去除非哥氏效应的加速度信号的影响，在有加速度存在时使得检测无效。

利用流体背向流动的角速度传感结构则可以通过差动处理消除非哥氏效应加速度的影响，基于该种原理的角速度传感器已有微型射流陀螺(专利号：ZL01119802.8)、微槽道流体角速率传感器(专利号：200410091707.4)和微型热流陀螺(专利号：ZL01129700.X)三个专利。微型射流陀螺是利用小孔径管道连通三个封闭腔体，驱动中间腔体上的薄膜，使得在另外两个腔体中产生背向射流，通过检测射流的偏转反映角速度；微槽道流体角速率传感器是利用在一封闭腔体顶部设置的驱动膜，驱动膜运动在腔体中产生由中心向周边发散和收缩的流体运动，在腔体下部设置凸台及槽道结构引导流体产生定向运动，检测该定向运动流体在角速度作用下的偏转以反映角速度；微型热流陀螺是在一封闭腔体中利用热对流和热膨胀的原理实现流体的背向运动，通过检测热流的偏转反映角速度。前两种结构含有驱动的运动部件，结构复杂，制作难度大；第三种结构简单，制作容易，但热流速度较低，传感器灵敏度差，所利用的热对流速度还受到纵向加速度的影响，因此陀螺灵敏度与外界加速度有关。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种稳定热膨胀流或收缩流，并且减小外界加速度对陀螺灵敏度的影响。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种微型热驱动气流陀螺，其包括微腔体、三根加热元件、两对热敏元件以及检测电路和控制电路模块；所述微腔体高度为100微米～1000微米；所述三根加热元件和两对热敏元件悬固在微腔体的中部；所述三根加热元件在所述微腔体中左右平行排列，依次间隔布置；相邻两根加热元件之间均有一对热敏组件，每对热敏组件对称分布在微腔体的前后侧；所述检测电路和控制电路模块包括检测电路单元和控制电路单元，检测电路单元与各热敏元件相连，检测热敏元件温度信号；控制电路单元，与各加热元件相连，控制加热元件加热。

其中，所述检测电路单元包括：位于相邻两根加热元件之间的两热敏元件与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏元件和参考电阻之间节点与一级差动放大器的输入端相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；所述二级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连；所述相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连；所述低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连，实现角速度测量。

其中，所述控制电路单元包括交流电信号发生器，其与所述三根加热元件中位于中间的加热元件相连且其驱动的交流电信号作用于中间的加热元件，同时该交流电信号经移相180度后作用于所述三根加热元件中左、右两侧的加热元件。

其中，所述交流电信号发生器驱动的交流电信号通过与交流电信号发生器相连的移相器进行移相调节，移相器与所述检测电路单元中的相敏解调器相连，作为所述检测电路单元中的相敏解调器的参考信号。

其中，所述两个一级差动放大器中其中一个的输出端连接反相放大器，反相放大器的输出端和另一个一级差动放大器的输出端分别与另一个二级差动放大器的输入端相连；该另一个二级差动放大器的输出端与另一个相敏解调器的输入端相连；该另一个相敏解调器的输出端与另一个低通滤波器的输入端相连；该另一个低通滤波器的输出端与另一个直流放大器的输入端相连，实现加速度测量。