基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器及其制备方法

摘要

本发明涉及仿生三维角速度传感器，具体是一种基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器及其制备方法。本发明解决了现有导航系统中微机械陀螺仪只能检测单一方向的角速度导致导航系统结构复杂、测量误差大的问题。基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器，包括N型【100】双抛硅片、以及有机玻璃；有机玻璃上开有中心方孔，有机玻璃的顶部对称开有四个凹槽，凹槽内粘结有绕有线圈的软磁体；有机玻璃的底部开有第一方形槽；N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内，N型【100】双抛硅片包括空心框体、以及四个折叠梁。本发明采用单个结构完成三维角速度的检测使传感器结构简单，可广泛适用于仿生MEMS传感器领域的角速度检测。

权利要求

1.基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器，其特征在于：包括N型【100】双抛硅片、以及有机玻璃（1）；有机玻璃（1）上开有中心方孔，有机玻璃（1）的顶部对称开有四个一端与中心方孔相通且与孔边垂直的凹槽（3），凹槽（3）内粘结有绕有线圈（4）的软磁体（5）；

有机玻璃（1）的底部开有中心与中心方孔相同的第一方形槽，第一方形槽内开有第二方形槽（6）；N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内，N型【100】双抛硅片包括空心框体（11）、以及四个折叠梁（9），所有折叠梁（9）的一端对称固定于空心框体（11）的边上而另一端一起固定在空心框体（11）的中心形成中心支盘；中心支盘上固定有穿过第二方形槽（6）、有机玻璃（1）中心方孔的坡莫合金棒，坡莫合金棒由下棒体（7）和直径大于下棒体（7）直径的上棒体（8）组成；空心框体（11）上固定有分别位于四个折叠梁（9）另一侧的四个焊盘（2）；

折叠梁（9）的应力敏感处固定有两个均通过铝引线与相邻焊盘（2）相连且阻值为2-3kΩ的P型压阻条（10），位置相对的折叠梁（9）的P型压阻条（10）两两串联在一起形成惠斯通电桥。

2.如权利要求1所述的基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（一）、制作N型【100】双抛硅片：

步骤1：取厚度为300-350um的N型【100】双抛基片，在N型【100】双抛基片上通过光刻工艺形成压阻图形区，在压阻图形区注入P离子形成绕N型【100】双抛基片中心对称排列的水平方向上的四个阻值为2-3kΩ的P型压阻条（10）和竖直方向上的四个阻值为2-3kΩ的P型压阻条（10）；

步骤2：在N型【100】双抛基片上利用光刻工艺形成位于P型压阻条（10）两端的引线孔；在N型【100】双抛基片上通过光刻工艺形成引线和焊盘的图形区，在引线和焊盘的图形区溅射厚度为3000埃的铝薄膜，形成分别位于水平方向上四个P型压阻条（10）两侧的两个焊盘（2）和分别位于竖直方向上四个P型压阻条（10）两侧的两个焊盘（2）、连接引线孔与相邻焊盘（2）的铝引线、以及两两串联水平方向和竖直方向上的中心两侧P型压阻条（10）形成惠斯通电桥的铝引线；

步骤3：在N型【100】双抛基片上甩一层厚度为1-1.1mm的SU-8胶，利用光刻工艺形成中心孔，在中心孔内通过微电铸工艺形成坡莫合金棒的下棒体（7）；再在N型【100】双抛基片上甩一层厚度为1.1-1.2mm的SU-8胶，利用光刻工艺形成中心孔，在中心孔内通过微电铸工艺形成坡莫合金棒的上棒体（8）；

步骤4：利用光刻技术、ICP刻蚀技术刻蚀N型【100】双抛基片的背面并穿透，形成由空心框体（11）、中心支盘、以及四个对称连接于中心支盘与空心框体（11）之间且应力敏感处有两个P型压阻条（10）的折叠梁（9）组成的N型【100】双抛硅片； （二）、取有机玻璃（1），在有机玻璃（1）的顶部用加工工艺加工中心方孔、以及一端与中心方孔相通且与孔边垂直的四个凹槽（3）；在有机玻璃（1）的背面用加工工艺加工中心与中心方孔相同的第一方形槽后再在第一方形槽内加工第二方形槽（6）；

（三）、将线圈（4）分别缠绕在四个软磁体（5）上后分别粘结在有机玻璃（1）的四个凹槽（3）内；将N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内并使坡莫合金棒的上棒体（8）穿过中心方孔；即得到基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器。

说明书

基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及仿生三维角速度传感器，具体是一种基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 仿生学是连接生物和技术的桥梁，近年来人类关于仿生学的发明和创新技术硕果累累；人们通过对萤火虫的发光机理研究，发明了日光灯；通过对电鱼放电的奥秘进行探究，发明了最早的伏特电池；通过对长颈鹿的皮肤构造进行探究，研制了飞行服——“抗荷服”；但关于仿生导航技术的研究却少之又少。目前导航系统的核心器件微机械陀螺仪只能检测单一方向上的角速度信息，而对于三维空间姿态的测量，通常的做法是利用安装在三个相互垂直方向上的微机械陀螺仪进行联合姿态解算，从而造成导航系统结构复杂、体积和质量较大、制造工艺难、以及组合后测量误差大的问题。

发明内容

[0003] 本发明为了解决现有导航系统中因微机械陀螺仪只能检测单一方向的角速度导致导航系统结构复杂、测量误差大的问题，提供了一种基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度检测传感器。

[0004] 本发明是采用如下技术方案实现的：基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器，包括N型【100】双抛硅片、以及有机玻璃；有机玻璃上开有中心方孔，有机玻璃的顶部对称开有四个一端与中心方孔相通且与孔边垂直的凹槽，凹槽内粘结有绕有线圈的软磁体；有机玻璃的底部开有中心与中心方孔相同的第一方形槽，第一方形槽内开有第二方形槽；N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内，N型【100】双抛硅片包括空心框体、以及四个折叠梁，所有折叠梁的一端对称固定于空心框体的边上而另一端一起固定在空心框体的中心形成中心支盘；中心支盘上固定有穿过第二方形槽、有机玻璃中心方孔的坡莫合金棒，坡莫合金棒由下棒体和直径大于下棒体直径的上棒体组成；空心框体上固定有位于四个折叠梁另一侧的四个焊盘；折叠梁的应力敏感处固定有两个均通过铝引线与相邻焊盘相连且阻值为
2-3kΩ的P型压阻条，位置相对的折叠梁的P型压阻条两两串联在一起形成惠斯通电桥。

[0005] 上述基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0006] （一）、制作N型【100】双抛硅片：

[0007] 步骤1：取厚度为300-350um的N型【100】双抛基片，在N型【100】双抛基片上通过光刻工艺形成压阻图形区，在压阻图形区注入P离子形成绕N型【100】双抛基片中心对称排列的水平方向上的四个阻值为2-3kΩ的P型压阻条（10）和竖直方向上的四个阻值为2-3kΩ的P型压阻条；

[0008] 步骤2：在N型【100】双抛基片上利用光刻技术形成位于P型压阻条两端的引线孔；在N型【100】双抛基片上利用光刻工艺形成引线和焊盘的图形区，在引线和焊盘的图形区溅射厚度为3000埃的铝薄膜形成位于水平方向上四个P型压阻条两侧的两个焊盘和位于竖直方向上四个P型压阻条两侧的两个焊盘、连接引线孔与相邻焊盘的铝引线、以及两两串联水平方向和竖直方向上的中心两侧P型压阻条形成惠斯通电桥的铝引线；

[0009] 步骤3：在N型【100】双抛基片上甩一层厚度为1-1.1mm的SU-8胶，利用光刻工艺形成中心孔，在中心孔内通过微电铸工艺形成坡莫合金棒的下棒体；再在N型【100】双抛基片上甩一层厚度为1.1-1.2mm的SU-8胶，利用光刻工艺形成中心孔，在中心孔内通过微电铸工艺形成坡莫合金棒的上棒体；

[0010] 步骤4：利用光刻技术、ICP刻蚀技术刻蚀N型【100】双抛基片的背面并穿透，形成由空心框体、中心支盘、以及四个对称连接于中心支盘与空心框体之间且应力敏感处有两个P型压阻条的折叠梁组成的N型【100】双抛硅片；

[0011] （二）、取有机玻璃，在有机玻璃的顶部用加工工艺加工中心方孔、以及一端与中心方孔相通且与孔边垂直的四个凹槽；在有机玻璃的背面用加工工艺加工中心与中心方孔相同的第一方形槽后再在第一方形槽内加工第二方形槽；

[0012] （三）、将线圈（4）分别缠绕在四个软磁体上后分别粘结在有机玻璃的四个凹槽内；将N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内并使坡莫合金棒的上棒体穿过中心方孔；即得到基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器。

[0013] 本发明中坡莫合金棒采用上粗下细的结构从而将质心集中于坡莫合金棒的上部增加了哥氏力（哥氏力的大小与坡莫合金棒的质量和速度有关）继而提高了测量灵敏度；在有机玻璃底部的第一方形槽内开有第二方形槽，防止折叠梁振动时与有机玻璃的下表面发生碰撞；同时N型（100）硅片上采用折叠梁可以使坡莫合金棒具有三维方向上的自由度在电磁驱动力的作用下摆动。

[0014] 触角作为飞蛾的重要感受器官，不仅对外界的气味以及空气流速非常敏感，而且能感受自身姿态的变化，触角梗节的Johnston’s organ是一个小型的机械传感器，它能感受身体姿态在三维空间的微小变化，并将感受到的信息传递给大脑，通过大脑控制翅膀调制姿态，维持稳定的飞行状态。本发明所述三维角速度传感器的结构从飞蛾触角模型提炼而来，飞蛾的触角以翅膀的振动频率 上下左右不停的摆动着，当飞蛾身体姿态发生变化时，就会在触角根部产生哥氏力（一个物体同时具有相对运动即移动或转动和牵连转动时，将产生一项附加加速度，即哥氏加速度，运动物体产生哥氏加速度对应的惯性力为哥氏力），根部的神经细胞将感受到的哥氏力信息传递给大脑进行姿态的解算；通过对该生物模型的模拟发明了二维驱动的仿生结构来对位飞蛾的触角，将相对凹槽中线圈接头均与产生方波信号的驱动电路模块相连从而产生磁场形成电磁驱动结构，磁场使坡莫合金棒沿x、y轴摆动，类似于不停振动的飞蛾触角；坡莫合金棒二维空间内的摆动就会引起该结构在z轴方向上的振动，因施加了频率为 的方波驱动信号可以使得该结构沿x、y轴方向和沿z轴方向上的振动频率不同，即沿x、y轴方向上的主要振动频率为 而z轴方向的振动频率却是2 （如图4所示）。通过对触角模型的分析，偏航角速度引起的哥氏力被调制在了x、y轴方向上的 频率信号内；而由翻滚角速度、俯仰角速度所引起的哥氏力也被调制在了x、y轴方向上，但因z轴的振动速度主要集中在2 处使得由翻滚角速度、俯仰角速度引起的哥氏力被调制在2 频率信号内；所以可通过对频率信号 、2 的提取来获得各个哥氏力信息。如图3所示，P型压阻条R1、R2、R5、R6和P型压阻条R3、R4、R7、R8形成两个惠斯通电桥，将相对焊盘（即惠斯通电桥的两个输出端）通过引线均与信号处理模块相连，就可以解算出三维方向上角速度信号的大小和方向，确定该模型的姿态信息，进而进行有效姿态控制实现导航。以下是偏航角速度、翻滚角速度、以及俯仰角速度的检测：

[0015] 1、偏航角速度的检测

[0016] 在电磁驱动结构的作用下，坡莫合金棒沿着x、y轴方向以 频率振动着，此时，折叠梁沿x、y轴方向发生形变，驱动力信号如图5所示；当将传感器固定在载体（如飞机）上沿Z轴旋转时，根据哥氏力效应原理可知，会在y、x轴方向产生哥氏力，哥氏力信号如图5所示，哥氏力引起坡莫合金棒根部的折叠梁沿x、y方向发生二次形变，这样导致折叠梁上P型压阻条的电阻发生变化，进一步使得惠斯通电桥输出电压信号发生变化，通过理论分析和信号叠加原理可知，驱动信号与哥氏力信号的相位相差90 ，幅值乃两个信号耦合幅值，对用信号处理模块测得的变化值进行相位解调和计算分析，可以解算哥氏力信号的幅值和相位，进而得出偏航角速度的大小和方向。

[0017] 2、翻滚角速度、俯仰角速度的检测

[0018] 在电磁驱动结构的作用下，利用方波驱动信号可以控制合金柱体结构在z方向上振动频率是2 ，因此折叠梁的形变也沿Z方向，此时驱动力信号如图6所示。当将传感器固定在载体（如飞机）上沿X轴旋转时，Y方向就会产生哥氏力并引起y方向相应形变，此时所产生的哥氏力就被调制在2 频率信号内；同理，载体沿y轴旋转时，x方向就会产生哥氏力并引起x方向相应形变，此时所产生的哥氏力也被调制在2 频率信号内，两个哥氏力信号如图6所示，这些形变最终引起P型压阻条阻值发生变化，进而引起惠斯通电桥输出电压信号发生变化，实现力电耦合，对用信号处理模块测得的哥氏力信号和驱动力信号进行相位解调和计算分析，进而分别计算出翻滚角速度和俯仰角速度。

[0019] 本发明采用单个结构完成三维角速度的检测使传感器结构简单，并成功的将生物器官转化为工程应用结构，实现了仿生学和微机械加工技术的结合；同时只需检测沿x、y方向上的应力变化就解算出了三维方向上的角速度信息，极大地降低了测量误差；解决了现有导航系统中因微机械陀螺仪只能检测单一方向的角速度导致导航系统结构复杂、测量误差大的问题，可广泛适用于仿生MEMS传感器领域的角速度检测。

附图说明

[0020] 图1是本发明的立体图。

[0021] 图2是图1的正视图。

[0022] 图3是N型【100】硅片的结构示意图。

[0023] 图4-a是本发明所述的坡莫合金棒在 频率下的运动曲线图；图4-b是本发明所述的坡莫合金棒在2 频率下的运动曲线图。

[0024] 图5是本发明检测偏航角速度时坡莫合金棒的运动曲线图。

[0025] 图6是本发明检测翻滚角速度或俯仰角速度时坡莫合金棒的运动曲线图。

[0026] 图中：1-有机玻璃；2-焊盘；3-凹槽；4-线圈；5-软磁体；6-第二方形槽；7-下棒体；8-上棒体；9-折叠梁；10-P型压阻条；11-空心框体。

具体实施方式

[0027] 基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器，包括N型【100】双抛硅片、以及有机玻璃1；有机玻璃1上开有中心方孔，有机玻璃1的顶部对称开有四个一端与中心方孔相通且与孔边垂直的凹槽3，凹槽3内粘结有绕有线圈4的软磁体5；有机玻璃1的底部开有中心与中心方孔相同的第一方形槽，第一方形槽内开有第二方形槽6；N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内，N型【100】双抛硅片包括空心框体11、以及四个折叠梁9，所有折叠梁9的一端对称固定于空心框体11的边上而另一端一起固定在空心框体11的中心形成中心支盘；中心支盘上固定有穿过第二方形槽6、有机玻璃1中心方孔的坡莫合金棒，坡莫合金棒由下棒体7和直径大于下棒体7直径的上棒体8组成；空心框体11上固定有位于四个折叠梁9另一侧的四个焊盘2；折叠梁9的应力敏感处固定有两个均通过铝引线与相邻焊盘2相连且阻值为2-3kΩ的P型压阻条10，位置相对的折叠梁9的P型压阻条10两两串联在一起形成惠斯通电桥。

[0028] 上述基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0029] （一）、制作N型【100】双抛硅片：

[0030] 步骤1：取厚度为300-350um的N型【100】双抛基片，在N型【100】双抛基片上通过光刻工艺形成压阻图形区，在压阻图形区注入P离子形成绕N型【100】双抛基片中心对称排列的水平方向上的四个阻值为2-3kΩ的P型压阻条（10）和竖直方向上的四个阻值为2-3kΩ的P型压阻条10；

[0031] 步骤2：在N型【100】双抛基片上利用光刻技术形成位于P型压阻条10两端的引线孔；在N型【100】双抛基片上通过光刻工艺形成引线和焊盘的图形区，在引线和焊盘的图形区溅射厚度为3000埃的铝薄膜形成位于水平方向上四个P型压阻条10两侧的两个焊盘2和位于竖直方向上四个P型压阻条10两侧的两个焊盘2、连接引线孔与相邻焊盘2的铝引线、以及两两串联水平方向和竖直方向上的中心两侧P型压阻条10形成惠斯通电桥的铝引线；

[0032] 步骤3：在N型【100】双抛基片上甩一层厚度为1-1.1mm的SU-8胶，利用光刻工艺形成中心孔，在中心孔内通过微电铸工艺形成坡莫合金棒的下棒体7；再在N型【100】双抛基片上甩一层厚度为1.1-1.2mm的SU-8胶，利用光刻工艺形成中心孔，在中心孔内通过微电铸工艺形成坡莫合金棒的上棒体8；

[0033] 步骤4：利用光刻技术、ICP刻蚀技术刻蚀N型【100】双抛基片的背面并穿透，形成由空心框体11、中心支盘、以及四个对称连接于中心支盘与空心框体11之间且应力敏感处有两个P型压阻条10的折叠梁9组成的N型【100】双抛硅片；

[0034] （二）、取有机玻璃1，在有机玻璃1的顶部用加工工艺加工中心方孔、以及一端与中心方孔相通且与孔边垂直的四个凹槽3；在有机玻璃1的背面用加工工艺加工中心与中心方孔相同的第一方形槽后再在第一方形槽内加工第二方形槽6；

[0035] （三）、将线圈4分别缠绕在四个软磁体5上后分别粘结在有机玻璃1的四个凹槽3内；将N型【100】双抛硅片粘结在第一方形槽内并使坡莫合金棒的上棒体8穿过中心方孔；即得到基于飞蛾触角导航的仿生三维角速度传感器。