单热源全桥式z轴薄膜陀螺及其加工方法
技术领域
本发明属于利用哥氏力偏转热流敏感体检测运动体角速度姿态 参数的
技术领域
，尤其是涉及一种单热源全桥式z轴薄膜陀螺及其加 工方法，属于惯性测量领域。背景技术
利用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技 术制作的微型惯性传感器有大批量生产、成本低、体积小、功耗低等 诸多优点，是未来中、低精度微型惯性传感器的理想产品。陀螺、加 速度计是载体运动姿态测量和控制的核心惯性传感器，而陀螺是敏感 角速度、角加速度等角参数的传感器。传统的微型陀螺(微机械陀螺) 是基于高频振动质量被基座带动旋转时存在的哥氏效应原理，微电子 和微机械结合的微型化速率陀螺。这种陀螺敏感元件内的固体质量块 需要通过机械弹性体悬挂并振动，在稍高加速冲击下容易损坏，同时 为了减少阻尼需要真空封装，其工艺复杂，长时间工作时会产生疲劳损坏和振动噪声。而微型流体惯性器件是一种新型的通过检测密闭腔 体内流体的流场偏移量，实现输入加速度和角速度的测量，由于其没 有传统的微型陀螺中的可动部件和悬挂系统，所以能抗高过载；由于 其敏感质量为气体，质量几乎为零，所以响应时间短、寿命长；由于 其结构简单，能满足低成本的应用要求。微型流体陀螺是利用密闭腔 体内气流敏感体在哥氏力作用下发生偏转，由热敏电阻(热线)来敏 感角速度引起偏转量的角速度传感器。目前，市场对微型惯陀螺适应 恶劣苛刻的环境能力要求越来越高，与传统的微机械振动陀螺相比， 微型流体陀螺以其极高的抗振动、冲击特性和低成本等优势，更具市 场竞争力，应用前景十分广阔。
目前基于MEMS技术的微型流体陀螺大致可以分为四类大类：微 型射流陀螺，ECF(electro-conjugate fluid)流体陀螺、微型热对 流陀螺和微型热流陀螺。中国专利一种微型四通道循环流式三轴硅射 流陀螺(专利申请号：201510385582.4)，属于微型射流陀螺，其敏 感元件内的压电片增加了加工难度和成本，且在保持流速的前提下其 体积难以进一步缩小。ECF流体陀螺的体积较大(40mm×60mm× 7mm)，且液体形成喷射流需高达上千伏的电压，故而ECF陀螺很难 实现大批量、低成本的商业化。微型热对流陀螺无重力场就无法工作， 灵敏度低。上述微型流体陀螺因其各自固有的缺点使其难以成为低成 本商业化微型陀螺的选择。微型热流陀螺(也称热膨胀陀螺)是近几 年提出的一种比较新的微型流体陀螺，敏感元件内无压电片，不需要 高电压，可以在无重力环境下使用，它的灵敏度适中，介于微型射流 陀螺和微型热对流式陀螺之间，同时它具有结构和加工工艺非常简 单，成本极低，可靠性高，优秀的抗振动和冲击特性，使得其与电容 式微机械振动陀螺竞争中、低精度、低价格的微型陀螺市场成为可能。
微型热流陀螺的敏感工作原理是利用加热器通电产生热量，加热 其周围的气体，形成气体热扩散，产生沿着一定方向运动的气流敏感 体，当有角速度输入时，气流敏感体在哥氏力作用下发生偏转，造成 惠斯登电桥的桥臂电阻(一般由热敏电阻组成)的改变，从而输出与 输入角速度成正比的电桥不平衡电压。在中国专利201410140298.6 和201210130318.2中传感器敏感元件内的主要部件-加热器和热敏 电阻均采用悬空悬臂梁结构，首先由于加热器和热敏电阻均悬浮于腔 体上方，刻蚀腔体释放结构后，应力会造成加热器和热敏电阻变形， 甚至断裂，成品率低，而且翘曲变形会在无角速度输入情况下产生不 对称的气体流场，从而造成角速度检测误差。其次，提取电路和传感 器的敏感元件芯片是分立的，提取电路需要额外制作，没有和敏感元 件集成在一个芯片上，所以集成度不高，传感器体积大。第三，这种 分立器件中四臂电桥中的电阻如果不在同一温度场中，各个电阻的温 度系数有差异，很容易造成温度漂移，影响传感器的精度，从而限制 了它的应用领域。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
本发明的目的在于提供一种单热源全桥式z轴薄膜陀螺及其加 工方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种单热源全桥式z轴薄膜陀螺，包括敏感层和盖 板，其中，
所述敏感层上表面有电阻式加热器(以下简称加热器)、热敏电 阻；
定义所述矩形薄膜陀螺的长宽方向分别为X，Y方向，敏感层的 高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均与X方向 垂直；四个热敏电阻两两相对设置，用于检测Z轴的角速度；
加热器垂直的设置在敏感层上表面的中心处，四个热敏电阻沿Y 方向对称的设置在加热器的左、右两个方向；
加热器的通电方式为周期方波式通电，即加热器的一个工作周期 包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；
作为一种进一步的技术方案，所述盖板上刻蚀有凹槽，且与敏感 层的上表面密闭连接。
作为一种进一步的技术方案，所述敏感层上表面至所述盖板上凹 槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为200μm至1000μm。
作为一种进一步的技术方案，所述敏感层1上表面的所述加热器 和热敏电阻的高度为15μm至20μm。
作为一种进一步的技术方案，所述加热器与所述热敏电阻的间距 为加热器长度的1/3至1/2。
作为一种进一步的技术方案，所述加热器是由具有高温度系数的 TaN材料电阻线构成。
一种加工单热源全桥式z轴薄膜陀螺的方法，具体工艺流程如 下：
步骤一：在GaAs晶片上制备掺杂密度为1018cm-3的n+GaAs外延 层，刻蚀形成上表面热敏电阻及平衡电阻；
步骤二：溅射TaN层作为上表面加热器；
步骤三：分别溅射Ti/Au/Ti，形成厚的焊盘和敏感电阻 线；
步骤四：采用化学气相沉积技术沉积厚的Si3N4，制备隔 离电阻；
步骤五：通过键合工艺，将上盖板与敏感层进行粘合，实现气体 介质工作环境的密封；
步骤六：对加工出来的结构进行封装，形成单热源全桥式z轴薄 膜陀螺。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1.这种陀螺敏感元件中无悬臂梁结构，工艺简单，敏感元件成 品率高，可批量生产所以成本低。
2.这种陀螺敏感元件以气体作为敏感质量，抗大冲击，结构简 单，成本极低，可靠性高。
3.加热器、热敏电阻在一个芯片上实现，同一结构，使得电阻 线的电阻离散程度小，在一个温度场中不会造成因温度系数不同导致 的温度漂移。
4.四个热敏电阻构成等臂电桥，四个桥臂作为工作臂均参与敏 感热气流的偏转，灵敏度是单一工作臂的四倍，大大提高了陀螺灵敏 度。
5.本发明提取电路为等臂电桥，等臂电桥的电桥桥臂电阻变化 与电桥输出不平衡电压之间的关系非线性度最小，这样大大降低了陀 螺的非线性。
7.本发明采用的工艺与集成电路工艺兼容，具有高集成度的潜 力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方 案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简 单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的敏感层的三维结构示意图；
图2为本发明实施例提供的盖板的三维结构示意图；
图3为本发明实施例提供的敏感层的俯视图；
图4为图3的A-A向剖视图；
图5为本发明实施例提供的单热源全桥式z轴薄膜陀螺的工作原 理图；
图6为本发明实施例提供的加热器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的热敏电阻的结构示意图；
图8本发明实施例提供的单热源全桥式z轴薄膜陀螺的制备工艺 流程图；
图标：1-敏感层、2-盖板、3-矩形凹槽、4-加热器、5-热敏电阻、 6-热敏电阻、7-热敏电阻、8-热敏电阻、9-TaN材料电阻块、10-TaN 材料电阻块、11-Si3N4材料电阻块、12-n型重掺杂GaAs材料电阻块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简 化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外， 术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连 接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以 是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具 体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解 的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用 于限制本发明。
结合图1-4所示，本实施例提供一种单热源微机械z轴薄膜陀螺， 包括敏感层1和盖板2，其中，
所述敏感层1的上表面设置一个加热器和四个热敏电阻；
定义所述矩形薄膜陀螺的长宽方向分别为X，Y方向，敏感层的 高度方向为Z向；所述加热器和所述热敏电阻的放置方向均与X或Y 方向平行或者垂直；四个热敏电阻两两相对设置，用于检测Z轴的角 速度；
所述加热器4垂直于X轴设置在敏感层上表面的中心处，热敏电 阻5、热敏电阻6、热敏电阻7和热敏电阻8对称的设置在加热器的 左、右两个方向；
两加热器的通电方式为周期方波式通电，即加热器的一个工作周 期包括脉冲电压激励时间与断电间隔时间；
热敏电阻的通电方式均为恒流电；
所述盖板2上刻蚀有矩形凹槽3，且与敏感层1的上表面密闭连 接。
结合图5所示，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所 述电阻式的加热器4由方波驱动，电阻通电产生焦耳热，向周围气体 释放热量，进行热扩散，在加热器4的两侧形成两个震荡热流。阻值 相同的四个热敏电阻R1(热敏电阻8)、R2(热敏电阻7)、R3(热敏电阻6)、R4(热敏电阻5)构成等臂惠斯登电桥，均作为工作桥臂参 与敏感气流的偏转，构成全桥。当在Z轴方向有个角速度输入Ωz时， 由于哥氏力(Coriolis force)原理，加热器4发出的热流将会在XOY 面内发生偏转，热流偏向的热敏电阻5和热敏电阻8温度高于和它平行的热敏电阻6和热敏电阻7，因此两相对平行的R1和R2(热敏电 阻8和热敏电阻7)、R3和R4(热敏电阻6和热敏电阻5)产生了与 输入角速度Ωz成正比的温差。其中相邻的两个桥臂电阻R1和R2(热 敏电阻8和热敏电阻7)、R3和R4(热敏电阻6和热敏电阻5)的变 化都是一增一减，电阻变化大小相等符号相反，各个桥臂电阻的变化 与电桥不平衡电压ΔVout输出满足公式(1)。
根据公式(1)，这种全桥电压输出为单一热敏电阻参与敏感热流 偏转电桥的四倍。输入角速度产生的温差，通过上述惠思登电桥桥臂 阻值的改变转化为与角速度Ωz成正比的电压不平衡电压ΔVout用 VZ表示输出，从而敏感Z轴上的角速度。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述敏感层1上表 面至所述盖板2上凹槽顶部的距离为气体介质工作腔体高度，高度为 200μm至1000μm。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述敏感层1上表 面的所述加热器和热敏电阻的高度为15μm至20μm。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，检测Z轴方向角速 度的加热器与热敏电阻的间距为加热器长度的1/3至1/2。
结合图6-7所示，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案， 所述加热器均是由具有高温度系数的TaN材料电阻线构成。热敏电阻 均是由n型重掺杂GaAs材料电阻线构成。其中，加热器包括2个对 称的TaN材料电阻块9、10及1个Si3N4材料电阻块11。其中TaN材 料电阻块由4个串联的“电阻”组成，而每个“电阻”具体实现形式 为3根并联的具有高温度系数的TaN材料电阻线。通过这样设计TaN 材料电阻线，加热器可以产生更多的热量，从而有利于提高陀螺检测 的灵敏度。热敏电阻为n型重掺杂GaAs材料电阻块12。其中n型重 掺杂GaAs材料电阻块12由5个串联的n型重掺杂GaAs材料电阻线。 通过这样设计GaAs材料电阻线，热敏电阻能获得更大的电压信号输 出，从而有利于提高陀螺检测的灵敏度。
结合图8所示，本发明所公开的单热源全桥式z轴薄膜陀螺，可 以利用GaAs-MMIC技术制备而成，具体工艺流程如下：
步骤(a)：在GaAs晶片上制备掺杂密度为1018cm-3的n+GaAs外 延层，刻蚀形成热敏电阻及平衡电阻。
步骤(b)：溅射TaN(氮化钽)层作为加热器(加热电阻)。
步骤(c)：分别溅射Ti/Au/Ti，光刻刻蚀形成厚的焊盘 和敏感电阻线。
步骤(d)：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备 厚的Si3N4作为隔离电阻块。
步骤(e)：通过键合工艺，将上盖板与敏感层进行粘合，实现气 体介质工作环境的密封。
步骤(f)：对加工出来的结构进行封装，形成单热源全桥式z 轴薄膜陀螺。
综上所述，本发明继承了微型热流陀螺无固体敏感质量块，抗振 动和冲击等优点，这种陀螺敏感元件中无悬臂梁结构，工艺简单，敏 感元件成品率高，可批量生产所以成本低。本发明中四个热敏电阻构 成等臂电桥，四个桥臂作为工作臂均参与敏感热气流的偏转，灵敏度 是单一工作臂的四倍，大大提高了陀螺灵敏度。提取电路为等臂电桥， 等臂电桥的电桥桥臂电阻变化与电桥输出不平衡电压之间的关系非 线性度最小，这样大大降低了陀螺的非线性。本发明采用的工艺与集 成电路工艺兼容，很容易将驱动电路和提取电路制作在同一个芯片 上，具有高集成度的潜力。由于其敏感质量不含固体质量块，较其他 工作原理的微型惯性传感器，具有抗大冲击，结构简单，成本极低， 可靠性高的优势。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的范围。
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