专利名称：基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微电子技术领域的微传感器，特别涉及一种基于金属电阻的 高抗冲击气体陀螺仪。
技术背景上世纪90年代中后期开始，基于热流原理的微陀螺仪受到广泛重视，它利 用气流方向在哥式加速度作用下发生偏转的原理研制而成。这种新型的传感器 用气体作为敏感元件取代传统微陀螺仪的检测质量，将外界输入角速度转化为 气流方向的变化，进而引起温度场变化，通过检测温度变化可以测量输入角速 度的大小。经对现有技术的文献检索发现，Tatsuo Shiozawa等在《Micro-Nanomechatronics and Human Science》2004年10月版的第277-282页上发表 的"A dual axis thermal convective silicon gyroscope，，， 该文中提到一种 基于半导体硅电阻的气体陀螺仪。具体结构如下陀螺仪包含两个主要部件， 封装在铝盒中，铝盒为圆柱型， 一部分是压电隔膜泵，产生持续不断的气流。 另一部分是基于硅的热阻效应的微热电调节器，用轻掺杂的P型硅制作，放置 在气体喷嘴的下游。为了检测角速度，将四个硅热电阻丝在基片上排成正方形， 每个热电阻丝都是P型硅做成。这些热电阻丝通过惠斯通电桥连接起来。具体工作原理如下在没有施加角速度的情况下，热气流均匀的吹过电阻丝，电桥平衡，不输出电压。当外加角速度时，哥式加速度会造成气流方向偏移，由此 导致两个热电阻丝受热不均匀，电阻值也会发生变化，惠斯通电桥不再平衡， 从而输出电压发生变化。这种装置的缺点就是，采用半导体硅的热电阻，硅材 料的韧性不好，质硬而脆，在高冲击环境下很容易破碎。 发明内容本发明针对现有的技术的不足，提供一种基于金属电阻的高抗冲击气体陀 螺仪，通过用金属电阻丝代替硅电阻，大大提高陀螺仪在高冲击环境下的稳定 性，也提高了传感器的寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括压电隔膜泵、含金属电阻丝的敏感部件、喷嘴、铝管壳，铝管 壳中充满氩气。压电隔膜泵位于铝管壳内的底部，含金属电阻丝的敏感部件位 于铝管壳中部，喷嘴安装在铝管壳内靠近开口处。在安装这些部件时， 一定要 保证压电隔膜泵的出气孔对准喷嘴的进气孔，同时，喷嘴的中央出气孔对准敏 感部件的金属电阻丝。在保证压电隔膜泵、敏感部件和喷嘴按照上述要求安装 在铝管壳内后，在铝管壳内充满氩气，并将铝管壳开口封装起来。所述的铝管壳采用热传导系数很大的铝材料，縮短陀螺腔内的氩气达到平 衡状态所需要的时间。所述的含金属电阻丝的敏感部件包括基片和金属电阻丝，四个金属电阻丝以 正方形排列在基片上，形成惠斯通电桥。所述的基片采用正方形铝板，中间镂空，用于搭接金属电阻丝，铝板上表面 旋涂一层聚酰亚胺。所述的敏感部件应放置在气流速度最大位置处，气流速度最大处离喷嘴为7. 5mnu所述的金属电阻丝材料选择为鸨。本发明工作时，每次检测角速度之前，首先给惠斯通电桥上的四个金属电阻 丝通电，电阻丝温度升高，同时打开压电隔膜泵，使铝管壳中氩气的温度与外 界空气的温度相同，并且稳定的循环流动，氩气从泵的出气孔喷出，进入喷嘴 的进气孔，然后从喷嘴的中央出气孔喷出，均匀喷在金属电阻丝上，金属电阻 丝电阻相同，惠斯通电桥平衡。外界施加角速度时，气流受到哥式加速度的作 用偏向一边的电阻丝，金属电阻丝的温度发生变化，两个金属电阻丝的阻值不 相同，电桥不再平衡，通过测量电桥的输出电压即可计算出电阻变化量，从而 得到外界的角速度。本发明和现有的基于硅电阻的气体陀螺仪相比，由于敏感部件由硅材料替换为金属材料，硅材料的断裂强度只有大约7GPa，而铝材料的断裂强度可以达到30GPa以上，增加了敏感部件经受高冲击的能力，可以应用于恶劣工作条件下的角速度测量，增强陀螺仪的稳定性。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的敏感部件俯视图。 图3为本发明的敏感部件侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的 保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括压电隔膜泵2、含金属电阻丝的敏感部件3、喷嘴5和铝管壳.1，这些部件依次排列，其中压电隔膜泵2位于铝管壳1内的底部，含金属电阻丝的敏感部件3位于铝管壳1中部，喷嘴5安装在铝管壳1内 靠近开口处。压电隔膜泵2的出气孔对准喷嘴5的进气孔，同时，喷嘴5的中 央出气孔对准敏感部件3的金属电阻丝6。采用传统机械工艺组装在一起，并在 铝管壳1内充满氩气4，最后将铝管壳1进行气密封装。本实施例中，铝管壳l的结构参数为直径14ram，长25mm 。 本实施例中，压电隔膜泵2的振动频率为7KHz，喷出气体的最大流速为 3. 5m/s 。如图2、 3所示，本实施例中，含金属电阻丝的敏感部件3包括金属电阻丝 6和基片7，四个金属电阻丝6以正方形排列在基片7上，形成惠斯通电桥。敏 感部件3放置在气流速度最大位置处，经过计算，气流速度最大处离喷嘴5为 7- 5mnu本实施例中，基片7采用正方形铝板9，中间镂空，用于搭接金属电阻丝6， 铝板9上表面旋涂一层聚酰亚胺8。基片7尺寸为5X5Xlmm3。本实施例中，金属电阻丝6的材料为钨，电阻温度系数为0. 00482/° C ， 金属电阻丝6设计为螺旋状，长度为400um 。上述结构的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪制造过程如下1. 采用传统机械工艺制作正方形的镂空铝板9，镂空形状为圆形。然后在 铝板上旋涂一层聚酰亚胺8。2. 采用微细加工技术在聚酰亚胺8上制作外围电路。3. 将四个金属电阻丝6连成惠斯通电桥，并将电桥与外围电路连接起来。4. 用传统的机械技术将压电隔膜泵2、含金属电阻丝的敏感部件3、喷嘴5 组装在铝管壳1内，组装过程一定要保证对称性，即压电隔膜泵2的出气孔 对准喷嘴5的进气孔，同时，喷嘴5的中央出气孔对准敏感部件3的金属电阻 丝6。5. 组装完成后在铝管壳1内充入氩气4。6. 最后将铝管壳1进行气密封装。 上述基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪工作过程1. 打开压电隔膜泵2，随即产生氩气流，气流紧贴铝管壳1流入喷嘴5中， 气流在喷嘴5中改变方向，从喷嘴5的中央出气孔流出并均匀喷在敏感部件3 的金属电阻丝6上，然后打开敏感部件6的电路，金属电阻丝6通电升温，工 作一个小时左右，待气流稳定循环以及金属电阻丝6温度稳定后，测出无角速 度时的敏感部件3的输出电压。2. 当外界有角速度时，从喷嘴5中喷出的气流会发生偏向，大部分气流喷 向其中一个金属电阻丝6而使其温度下降，故电阻减小，与这个金属电阻丝6 相对的电阻丝由于喷过的气流减少，温度升高，故电阻增大，敏感部件3上的 惠斯通电桥不平衡，输出电压发生变化，待输出电压稳定时，测出此时的输出 电压。可通过输出电压的变化得到金属电阻丝6电阻的变化，进而得到金属电 阻丝6温度变化，从而得出气流的偏转量，最后计算出外加角速度。本实施例通过机械技术将压电隔膜泵、敏感部件和喷嘴封装在装有氩气的铝 管壳内。铝管壳选择热传导系数较大的铝材料，縮短了陀螺腔内的氩气达到平 衡状态所需要的时间，敏感部件上的电阻丝采用金属钨材料，电阻温度系数高， 灵敏度高，再加上敏感部件的基片采用铝材料，更能克服硅电阻的易碎特性， 可以显著提高气体陀螺仪的抗冲击性。
权利要求
1、一种基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特征在于，包括压电隔膜泵、含金属电阻丝的敏感部件、喷嘴、铝管壳，其中压电隔膜泵位于铝管壳内的底部，含金属电阻丝的敏感部件位于铝管壳中部，喷嘴安装在铝管壳内靠近开口处，压电隔膜泵的出气孔对准喷嘴的进气孔，同时，喷嘴的中央出气孔对准敏感部件的金属电阻丝，在压电隔膜泵、敏感部件和喷嘴安装在铝管壳内后，在铝管壳内充满氩气，并将铝管壳开口封装起来。
2、 根据权利要求l所述的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特征是， 所述的含金属电阻丝的敏感部件包括基片和金属电阻丝，四个金属电阻丝以正 方形排列在基片上，形成惠斯通电桥，其中基片为正方形铝板。
3、 根据权利要求2所述的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特征是，所述的正方形铝板，其中间镂空，用于搭接金属电阻丝，铝板上表面旋涂一层 聚酰亚胺。
4、 根据权利要求2或3所述的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特 征是，所述的金属电阻丝为螺旋状，长度为400ixm 。
5、 根据权利要求2或3所述的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特 征是，所述的金属电阻丝材料为钨，电阻温度系数为0.00482 / °C 。
6、 根据权利要求1或2所述的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特 征是，所述敏感部件放置在气流速度最大位置处，气流速度最大处离喷嘴为 7. 5mra。
7、 根据权利要求1所述的基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，其特征是， 所述的压电隔膜泵的振动频率为7KHz，喷出气体的最大流速为3.5m/s 。
全文摘要
本发明设计一种基于金属电阻的高抗冲击气体陀螺仪，包括压电隔膜泵、含金属电阻丝的敏感部件、喷嘴、铝管壳，其中压电隔膜泵位于铝管壳内的底部，含金属电阻丝的敏感部件位于铝管壳中部，喷嘴安装在铝管壳内靠近开口处，压电隔膜泵的出气孔对准喷嘴的进气孔，同时，喷嘴的中央出气孔对准敏感部件的金属电阻丝，在压电隔膜泵、敏感部件和喷嘴安装在铝管壳内后，在铝管壳内充满氩气，并将铝管壳开口封装起来。铝管壳缩短了陀螺腔内的氩气达到平衡状态所需要的时间，敏感部件上的电阻丝采用钨，电阻温度系数高，灵敏度高，再加上基片采用铝材料，更能克服硅电阻的易碎特性，可以显著提高气体陀螺仪的抗冲击性。
文档编号G01C19/00GK101393024SQ20081020231
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月6日 优先权日2008年11月6日
发明者健 孙, 冠 张, 李以贵, 陈少军 申请人:上海交通大学