本發(fā)明屬于陀螺儀傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陣列電極式MEMS液體角度陀螺儀。

背景技術(shù)：

目前，陀螺儀傳感器普遍采用科里奧利力的原理，能夠較為直觀的表現(xiàn)出被測物體的角速度以及加速度，然而在測量角度變化的過程中需要將角速度數(shù)據(jù)通過積分處理得到角度數(shù)據(jù)，因此就需要在外加電路中添加積分電路，這提高了傳感器電路設(shè)計及制造的難度，導致成本過高。采用振動機械結(jié)構(gòu)作為敏感元件的陀螺儀傳感器，存在的最大缺點就是機構(gòu)較為復雜，且在高沖擊，高過載下對振子的振動頻率影響較大，影響傳感器的輸出，不適用于較大沖擊環(huán)境。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種陣列電極式MEMS液體角度陀螺儀，通過液滴在不同傾角下的位置變化而造成的陣列電極信號輸出的變化，實現(xiàn)對角度變化的測量。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種陣列電極式MEMS液體角度陀螺儀，包括通過真空鍵合工藝進行封裝的下基板3、中間基板2和上基板1，下基板3中心有環(huán)形的第一疏水層6-1，第一疏水層6-1外環(huán)有環(huán)形金屬電極7；下基板3上部的中間基板2包括內(nèi)圓盤和外圓盤，外圓盤的內(nèi)壁和內(nèi)圓盤的外壁有第二疏水層6-2，內(nèi)圓盤和外圓盤同心，內(nèi)圓盤和外圓盤之間構(gòu)成一個環(huán)形溝槽，環(huán)形溝槽設(shè)有水銀液滴4；中間基板2上部的上基板1中心有對應(yīng)與下基板3的第一疏水層6-1位置的環(huán)形陣列電極5。

所述的上基板1采用單晶硅材料，環(huán)形陣列電極5采用金材料。

所述的中間基板2采用玻璃材料。

所述的下基板3采用單晶硅材料，預(yù)先對下基板3進行疏水處理，采用磁控濺射的工藝在已覆蓋第一疏水層6-1的下基板3上表面沉積一層環(huán)形金屬電極7，并保留中間環(huán)形的第一疏水層6，環(huán)形金屬電極7材料與環(huán)形陣列電極5材料一致；封裝過程中，控制下基板3的第一疏水層6與上基板1的環(huán)形陣列電極5保持同軸且位置一致。

所述的水銀液滴4的直徑與中間基板2的環(huán)形溝槽寬度相同。

所述的水銀液滴4直徑小于中間基板2的厚度，水銀液滴4不與上基板1的環(huán)形陣列電極5相接觸。

本發(fā)明的有益效果為：

采用三層基板結(jié)構(gòu)，敏感元件水銀液滴4在中間基板2的溝槽內(nèi)流動，水銀液滴4流動過程中位置的改變，導致環(huán)形金屬電極7、環(huán)形陣列電極5間某位置處輸出電容信號改變，該位置所對應(yīng)的角度，與初始位置角度相比較就是輸入角度的值，水銀液滴4在受到大沖擊時，會迅速由分散重新聚攏，這使得該角度傳感器在較大沖擊下也能夠可靠測量；該角度傳感器通過真空鍵合工藝進行封裝，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，不受外界環(huán)境溫度和沖擊影響等特點，在慣性導航，姿態(tài)測試等航空航天，兵器系統(tǒng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景和價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為上基板1的下表面示意圖。

圖3為下基板3的上表面示意圖。

圖4為水銀液滴4在環(huán)形溝槽內(nèi)靜止示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的詳細介紹。

參照圖1、圖2、圖3和圖4，一種陣列電極式MEMS液體角度陀螺儀，包括通過真空鍵合工藝進行封裝的下基板3、中間基板2和上基板1，下基板3中心有環(huán)形的第一疏水層6-1，第一疏水層6-1外環(huán)有環(huán)形金屬電極7；下基板3上部的中間基板2包括內(nèi)圓盤和外圓盤，外圓盤的內(nèi)壁和內(nèi)圓盤的外壁有第二疏水層6-2，內(nèi)圓盤和外圓盤同心，內(nèi)圓盤和外圓盤之間構(gòu)成一個環(huán)形溝槽，環(huán)形溝槽設(shè)有水銀液滴4；中間基板2上部的上基板1中心有對應(yīng)與下基板3的第一疏水層6-1位置的環(huán)形陣列電極5；利用水銀液滴4作為敏感元件，水銀液滴4在重力作用下繞環(huán)形溝槽做圓周運動，引起上基板內(nèi)的環(huán)形陣列電極5某處輸出電容發(fā)生變化，通過電容變化進而得到水銀液滴4轉(zhuǎn)動的角度。

所述的上基板1采用單晶硅材料，采用氣相沉積的方式在單晶硅上表面覆蓋一層100nm～300nm厚的二氧化硅薄膜；環(huán)形陣列電極5采用金材料，利用光刻工藝，在單晶硅下表面覆蓋一層環(huán)形陣列光刻膠圖案，通過磁控濺射工藝，在預(yù)先光刻好的單晶硅下表面沉積一層金，放入顯影液中浸泡，沉積在光刻膠上的金電極，被顯影液洗掉，直接覆蓋在單晶硅下表面上的金電極被保留下來，從而得到了環(huán)形陣列電極5。

所述的中間基板2采用玻璃材料，采用OTS-SiO₂復合薄膜處理玻璃材料，使環(huán)形溝槽內(nèi)壁覆蓋第二疏水層6-2，預(yù)先用丙酮和無水乙醇清洗玻璃材料，將預(yù)處理的玻璃材料侵入混合溶液A和B中；A溶液為正硅酸乙酯，氨水以及無水乙醇按摩爾比為1:2:20混合而成；B溶液為正硅酸乙酯，水，無水乙醇以及鹽酸按摩爾比為1:3:20:0.01混合而成；采用提拉法進行二氧化硅薄膜的制備，提升速度為12cm/min，將已沉積有SiO₂薄膜的玻璃材料侵入濃度為10mmol/L的十八烷基三氯硅烷(OTS)/甲苯混合溶液中，控制反應(yīng)時間為3min～2h，反應(yīng)結(jié)束后依次用甲苯，丙酮，乙醇，去離子水進行清洗。中間基板2為敏感元件水銀液滴4提供了運動的環(huán)形溝槽。

所述的下基板3采用單晶硅材料，預(yù)先對下基板3進行疏水處理，采用磁控濺射的工藝在已覆蓋第一疏水層6-1的下基板3上表面沉積一層環(huán)形金屬電極7，并保留中間環(huán)形的第一疏水層6-1，環(huán)形金屬電極7材料與環(huán)形陣列電極5材料一致；封裝過程中，控制下基板3的第一疏水層6-1與上基板1的環(huán)形陣列電極5保持同軸且位置一致。

本發(fā)明的工作原理是：

采用水銀液滴4作為敏感元件，水銀液滴4在受到較大沖擊時，能夠迅速的由分散狀態(tài)重新聚攏，性質(zhì)不會發(fā)生改變，因此不會對測量產(chǎn)生影響，克服了傳統(tǒng)角度陀螺儀在高過載，大沖擊下的測量問題。水銀液滴4通過真空封裝在中間基板2環(huán)形溝槽內(nèi)，僅受重力的作用停在傳感器的零位。存在一個臨界滾動角α使水銀液滴4僅在重力的作用下開始滾動。斜面上臨界滾動角的計算公式如下：

其中，d為水銀液滴4的直徑，θ_α為前進角，θ_γ為后退角，μ為水銀液滴4表面張力，m為水銀液滴4的質(zhì)量。

常溫下水銀的表面張力為0.485N/m，有較小的滾動角。封裝過程中，水銀液滴4在環(huán)形溝槽內(nèi)部靜止如圖4所示，水銀液滴4受重力的影響靜止在下基板3最低點處；水銀液滴4的直徑與中間基板2的環(huán)形溝槽寬度相同，環(huán)形溝槽側(cè)壁有第二疏水層6-2，減小水銀液滴4與側(cè)壁的接觸角，從而減小側(cè)壁與水銀液滴4之間的表面張力對于滾動角的影響。水銀液滴4直徑小于中間基板2的厚度，水銀液滴4不與上基板1的環(huán)形陣列電極5相接觸。

水銀液滴4在重力的作用下繞傾斜角的方向在環(huán)形溝槽內(nèi)做圓周運動，環(huán)形溝槽的上下表面存在環(huán)形陣列電極5和環(huán)形金屬電極7，當水銀液滴4運動靜止在環(huán)形溝槽最低點時，會使得該點處極板輸出電容改變。根據(jù)該點處輸出電容的變化可以判斷出水銀液滴4運動停止的位置，進而獲得傾斜角的數(shù)值。由于水銀液滴4在大沖擊下具有恢復初始性質(zhì)的能力，因此該傾角傳感器能夠用于大沖擊，高過載的傾角測量。在水銀液滴4滾動環(huán)形溝槽的內(nèi)壁覆蓋疏水層，減小水銀液滴4的滾動角，從而提高傳感器的分辨率。