热流式微型二维倾角传感器的分析和设计.pdf

热流式微型二维倾角传感器的分析和设计 李科 梅涛 孔德义 熊小义 (中科院合肥智能机械研究所，传感技术国家重点实验室，合肥230031) 摘要基于气体热对流的微机械倾角传感器具有结构、工艺简单、响应时间短以及抗强冲 击的特点。我们设计了一种新型结构的二维倾角传感器，在对传感器工作原理进行 理论分析的基础上，通过有限元分析得到了气体对流速度场和温度场的分布，同时 给出了该传感器的工艺实施方案。 关键词倾角传感器热流式传感器微电子机械系统 1引言 水平姿态的测量在建筑、航空、航天、兵器及自动化领域内有着十分重要的作用，都需 要用到倾角传感器。国内外在倾角传感器领域已经开展了很多工作，如北京信息工程学院张 福学等人研制的气体摆式倾角传感器【11，湖南华星宇传感技术有限公司研制的膜电位倾角传感 器【21。传统方法研制的体积较大，精度低，价格昂贵，利用微电子机械系统(MEMS)技术研 制的传感器则具有体积小、集成度高、响应快、成本低的特点。美国乔治华盛顿大学的Veljko Milanovic利用国家标准技术研究所(NIST)的工艺制作了微机械热对流式一维和二维的器件 [31[41；德国S．Billat利用SOI技术研制出一维和二维器件【51；河北十三所李立杰等利用各向异 性腐蚀工艺研制出一维的器件【6l【71。这些器件用于测量倾角的时候都表现出良好性能。 由于气体对流的规律非常复杂，上述工作中均未对传感器的工作状态进行精确的分析计 算，以指导传感器的设计。因此，我们在本文中首先对热流式传感器工作原理进行了理论分 析，并采用有限元分析软件AnsysTM对该传感器的对流速度场和温度场分布进行了分析，然后 提出了一种新型结构的微型二维倾角传感器，同时给出了该传感器的工艺实施方案。 ，)-V作晤钾 -—“J厂／／J、‘工 (1)气体对流理论 对于一个密封的腔体，在腔体中心热源的加热下，热源附近的空气受热膨胀，在重力场 中会受到一个浮升力的作用，与附近的冷空气循环交换，腔体内形成稳定的对流。当腔体倾 斜时，气体对流被破坏，形成新的对流场分布(见图1)。对于自然对流，气体对流的规律用 格拉晓夫数来判断： Gr=gc]【△t13／v2 (1) 这里，g是重力加速度，娓体积膨胀系数，4f是平均温差，，是加热器的特征长度，堤 空气的动力学粘度。物理上，G，数是浮升力与粘滞力之比的度量。(1)式中，g是个矢量， 对于腔体内的气体而言，水平状态的变化会引起气体对流的规律的变化。 本项研究受安徽省自然科学基金和安徽省优秀青年科技基金(2001-2002年度)资助． 166 (a) (b) 图l水平(a)和倾斜(b)状态气体对流示意图 (2)传感器工作原理 如图2，利用微机械的工艺，在硅衬底上制作出加热器、 测温电阻、参考电阻，腐蚀分离，制作出悬空的结构，封装 之后形成一个密封的腔体，利用测温电阻与参考电阻组成的 惠斯顿电桥来检测加热器两侧的温度分布变化。当器件处于 水平时，腔体内的温度场分布对称，两侧对称位置上电阻的 阻值变化相同，电桥输出为零；当器件倾斜一定的角度时， 腔体内气体对流形成新的平衡，两侧测温电阻处的温度不 同，电桥就会有输出信号。传感器的输出信号与倾角的大小 成比例。 图2传感器结构示意图 3有限元分析 由于气体对流的速度场和温度场无法用简单的方程来描述，我们利用有限元软件AnsysTM 进行建模和分析。 二维倾角传感器是一个对称的结构，所以只需要分析一个敏感方向。考虑到腔体中存在着 各向异性腐蚀形成的斜面，建立的简化模型 如图3所示。腔体模型水平方向最大尺寸 2mm，高度lmm，加热器尺寸为 200“m×20“m。设定的边界条件是加热器温