CN101082492A - 一种微型陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流体检测原理的微型陀螺仪，由驱动层、结构层和检测层三者键合而成。驱动层上包含两个微型电加热器，分别位于结构层上对应的封闭腔体中，两封闭腔体分别与结构层上的微流通道和分流通道相连，并被导电流体隔断，两微型电加热器交替加热封闭腔体中的气体，导致两封闭腔体的压力交替增大，实现导电流体在微流通道和分流通道之间周期往复运动，两对称布置的分流通道流量差包含角速度信息，通过磁流体原理检测两分流通道流量差，从而获得角速度信息。本发明结构简单，不存在活动和振动部件，寿命长，灵敏度和分辨率高，采用微加工技术工艺简单，成本低廉，适合大批量生产，具有可观的应用前景。

Description

一种微型陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种检测角速度的微型陀螺仪。

背景技术

微型陀螺仪在军事和民用领域有着广泛的应用前景和经济效益。不同精度的微型陀螺仪开始广泛应用于导弹惯性制导、汽车电子稳定控制、机器人运动控制、工业自动化、数码产品图像稳定、手机动作感应以及其他消费电子产品。目前研制的微型陀螺仪几乎都存在一个质量块，利用角速度引起的科式力激发质量块正交振动来检测角速度，其检测原理通常基于电容、压电、压阻等效应。由于振动质量块的存在，陀螺仪的加工工艺十分复杂，抗冲击能力大幅度降低，造成可靠性和寿命下降。

基于热对流原理的微型陀螺仪利用角速度引起的科式力导致射流偏转，使其与一对或多对对称布置的热敏器件对流换热存在差异，通过检测热敏器件温差获得角速度信息。这种陀螺仪以流体代替质量块，简化了检测部件的结构，而且可以提高陀螺仪的抗冲击能力，但用于产生射流的驱动器制作难度大，限制了热对流微型陀螺仪的发展，另外温度检测方式虽然简单成熟，但精度不高且易受外界环境干扰。

磁流体动力学是研究导电流体的物理学分支，其基本思想是在运动的导电流体中，磁场能够感应出电流，其基本方程是流体力学中的纳维-斯托克斯方程和电动力学中的麦克斯韦方程组。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有微型陀螺仪的不足之处，提出一种微型陀螺仪，该微型陀螺仪无活动和振动部件，磁流体检测方式灵敏度和分辨率高，结构简单，易于加工。

本发明提供的微型陀螺仪，由驱动层、结构层和检测层三者键合而成，驱动层位于底部，检测层位于顶部；

在驱动层与结构层的键合面上，对称放置第一微型电加热器和第二微型电加热器，其中，第一微型电加热器与设置在该键合面上的第一、第二电加热器电极相连，第二微型电加热器与设置在该键合面上的第三、第四电加热器电极相连；

在结构层与驱动层的键合面上，对称开有第一封闭腔体和第二封闭腔体，使驱动层上的第一微型电加热器位于第一封闭腔体内，第二微型电加热器位于第二封闭腔体内；

在结构层与检测层的键合面上，开有第一至第三连接孔、微流通道和第一、第二分流通道；第一、第二分流通道关于微流通道对称，并与微流通道连通，导电流体位于微流通道中，第一连接孔连通第一封闭腔体和微流通道，第二连接孔连通第二封闭腔体和第二分流通道，第三连接孔连通第二封闭腔体和第一分流通道；

在检测层与结构层的键合面上，设置有第一至第四检测电极，第一、第二检测电极分别位于第一分流通道的两侧，第三、第四检测电极分别位于第二分流通道的两侧；

检测层嵌有磁性体，位于第一分流通道和第二分流通道的上方；

驱动层和结构层上分别开有第一、第二检测电极引线窗口，第一、第二检测电极引线窗口位于第一至第四检测电极的下方；结构层上开有第一至第四电加热器电极引线窗口，检测层上开有第五至第八电加热器电极引线窗口，第一和第五电加热器电极引线窗口位于第一电加热器电极的上方，第二和第六电加热器电极引线窗口位于第二电加热器电极的上方，第三和第七电加热器电极引线窗口位于第三电加热器电极的上方，第四和第八电加热器电极引线窗口位于第四电加热器电极的上方。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)采用磁流体检测原理，可直接获得电压信号，检测精度高；

(2)采用分流通道结构，检测角速度时，一个流量降低，一个流量增大，这种差动检测精度是普通检测方式的两倍。

(3)采用热驱动方案，不存在任何活动和振动部件，抗冲击能力和可靠性高；

(4)结构和加工工艺简单，适合大批量生产，具有可观的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体外形结构图；

图2为图1中驱动层的轴测图；

图3a为图1中结构层的前剖视图；

图3b为图1中结构层的俯视图；

图4为图1中检测层的轴测图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。

由图1所示，本发明微型陀螺仪由驱动层1、结构层2和检测层3三者键合而成，驱动层1位于底部，检测层3位于顶部，结构层2位于驱动层1和检测层3之间。驱动层1、结构层2和检测层3的材料和加工方法不限，本实例中驱动层1、结构层2和检测层3选用玻璃材料，采用玻璃焊料实现键合。导电流体9选用电导率高且粘度较小的水银。

由图2、3和4所示，在驱动层1与结构层2的键合面上，对称放置第一微型电加热器4a和第二微型电加热器4b，该键合面上还设置有第一电加热器电极5a、第二电加热器电极5b、第三电加热器电极5c和第四电加热器电极5d，第一微型电加热器4a与第一电加热器电极5a和第二电加热器电极5b相连，第二微型电加热器4b与第三电加热器电极5c和第四电加热器电极5d相连。

在结构层2与驱动层1的键合面上，对称开有第一封闭腔体7a和第二封闭腔体7b，使驱动层1上的第一微型电加热器4a位于第一封闭腔体7a内，第二微型电加热器4b位于第二封闭腔体7b内。为了使封闭腔体内的气体温度具有较好的均匀性，第一微型电加热器4a和第二微型电加热器4b应分别位于第一封闭腔体7a和第二封闭腔体7b的中心位置。

在结构层2与检测层3的键合面上，开有第一连接孔8a、第二连接孔8b、第三连接孔8c、微流通道10、第一分流通道11a和第二分流通道11b。第一分流通道11a和第二分流通道11b关于微流通道10对称，并与微流通道10连通，导电流体水银9在微流通道10中，第一连接孔8a连通第一封闭腔体7a和微流通道10，第二连接孔8b连通第二封闭腔体7b和第二分流通道11b，第三连接孔8c连通第二封闭腔体7b和第一分流通道11a。在检测层3与结构层2的键合面上，放置第一检测电极14a、第二检测电极14b、第三检测电极15a和第四检测电极15b，第一检测电极14a和第二检测电极14b分别位于第一分流通道11a的两侧，第三检测电极15a和第四检测电极15b分别位于第二分流通道11b的两侧。

从检测层3的顶面嵌入磁性体13，位于第一分流通道11a和第二分流通道11b的正上方。为了获得较高的灵敏度，磁性体13在第一分流通道11a和第二分流通道11b中产生的磁感应强度应当大于0.1T。驱动层1和结构层2上分别开有第一检测电极引线窗口6a和第二检测电极引线窗口6b，位于第一检测电极14a、第二检测电极14b、第三检测电极15a和第四检测电极15b的正下方，结构层2上开有第一电加热器电极引线窗口12a、第二电加热器电极引线窗口12b、第三电加热器电极引线窗口12c和第四电加热器电极引线窗口12d，检测层3上开有第五电加热器电极引线窗口12e、第六电加热器电极引线窗口12f、第七电加热器电极引线窗口12g和第八电加热器电极引线窗口12h，第一电加热器电极引线窗口12a和第五电加热器电极引线窗口12e位于第一电加热器电极5a的正上方，第二电加热器电极引线窗口12b和第六电加热器电极引线窗口12f位于第二电加热器电极5b的正上方，第三电加热器电极引线窗口12c和第七电加热器电极引线窗口12g位于第三电加热器电极5c的正上方，第四电加热器电极引线窗口12d和第八电加热器电极引线窗口12h位于第四电加热器电极5d的正上方。

现在以该微型陀螺仪的一个工作周期为例，说明本发明的工作机理如下：

初始状态，导电流体水银9位于微流通道10中，首先第一封闭腔体7a中的第一微型电加热器4a通电加热第一封闭腔体7a中的气体，第二封闭腔体7b中的第二微型电加热器4b处于断电状态，因此第一封闭腔体7a中的压力大于第二封闭腔体7b中的压力，推动导电流体水银9向第一分流通道11a和第二分流通道11b运动。

当转动角速度ω＝0时，导电流体水银9运动中受到的科式力F_k＝0，由于第一分流通道11a和第二分流通道11b关于微流通道10对称，导电流体水银9在第一分流通道11a的流量Q₁和第二分流通道11b的流量Q₂相等(Q₁＝Q₂)，由于第一分流通道11a和第二分流通道11b的截面尺寸完全一样，因此导电流体水银9在第一分流通道11a的流速V₁和第二分流通道11b的流速V₂相等(V₁＝V₂)；当转动角速度ω≠0时，导电流体水银9运动中受到的科式力F_K＝2ωV(其中，V是导电流体水银9在微流通道10中的运动速度，F_K的方向垂直于ω与V组成的平面)，导电流体水银9在第一分流通道11a的流量Q₁和第二分流通道11b的流量Q₂不相等(Q₁≠Q₂)，因此导电流体水银9在第一分流通道11a的流速V₁和第二分流通道11b的流速V₂不相等(V₁≠V₂)。

位于第一分流通道11a和第二分流通道11b正上方的磁性体13产生一个垂直第一分流通道11a和第二分流通道11b的强磁场，运动的导电流体水银9切割磁力线在第一分流通道11a两侧产生动生电动势E₁＝BLV₁(B为高磁性体13产生磁场的磁感应强度，L为第一分流通道11a和第二分流通道11b的宽度)，在第二分流通道11b两侧产生动生电动势E₂＝BLV₂，动生电动势E₁由第一检测电极14a和第二检测电极14b输入检测电路，动生电动势E₂由第三检测电极15a和第四检测电极15b输入检测电路。当转动角速度ω＝0时，由于V₁＝V₂，E₁＝E₂；当转动角速度ω≠0时，由于V₁≠V₂，E₁≠E₂。因此两动生电动势差可用下式表示：

ΔE＝E₁-E₂＝BL(V₁-V₂)＝BL(Q₁-Q₂)/s＝BLΔQ/s

其中ΔQ为第一分流通道11a的流量Q₁和第二分流通道11b的流量Q₂差，s为第一分流通道11a和第二分流通道11b的截面积。

通过差分检测电路检测两动生电动势差ΔE就可以获得角速度信息。

当检测电路产生输出信号后，第一封闭腔体7a中的第一微型电加热器4a断电冷却，第二封闭腔体7b中的第二微型电加热器4b通电加热第二封闭腔体7b中的气体，第二封闭腔体7b中的压力大于第一封闭腔体7a中的压力，推动导电流体水银9从第一分流通道11a和第二分流通道11b向微流通道10运动，半周期时间以后，第一微型电加热器4a通电加热，第二微型电加热器4b断电冷却，开始下一工作周期。

以上示意性的对发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种微型陀螺仪，其特征在于：该陀螺仪由驱动层(1)、结构层(2)和检测层(3)三者键合而成，驱动层(1)位于底部，检测层(3)位于顶部；

在驱动层(1)与结构层(2)的键合面上，对称放置第一微型电加热器(4a)和第二微型电加热器(4b)，其中，第一微型电加热器(4a)与设置在该键合面上的第一、第二电加热器电极(5b)相连，第二微型电加热器(4b)与设置在该键合面上的第三、第四电加热器电极((5c、5d)相连；

在结构层(2)与驱动层(1)的键合面上，对称开有第一封闭腔体(7a)和第二封闭腔体(7b)，使驱动层(1)上的第一微型电加热器(4a)位于第一封闭腔体(7a)内，第二微型电加热器(4b)位于第二封闭腔体(7b)内；

在结构层(2)与检测层(3)的键合面上，开有第一至第三连接孔(8a、8b、8c)、微流通道(10)和第一、第二分流通道(11a、11b)；第一、第二分流通道(11a、11b)关于微流通道(10)对称，并与微流通道(10)连通，导电流体(9)位于微流通道(10)中，第一连接孔(8a)连通第一封闭腔体(7a)和微流通道(10)，第二连接孔(8b)连通第二封闭腔体(7b)和第二分流通道(11b)，第三连接孔(8c)连通第二封闭腔体(7b)和第一分流通道(11a)；

在检测层(3)与结构层(2)的键合面上，设置有第一至第四检测电极(14a、14b、15a、15b)，第一、第二检测电极(14a、14b)分别位于第一分流通道(11a)的两侧，第三、第四检测电极(15a、15b)分别位于第二分流通道(11b)的两侧；

检测层(3)嵌有磁性体(13)，位于第一分流通道(11a)和第二分流通道(11b)的上方；

驱动层(1)和结构层(2)上分别开有第一、第二检测电极引线窗口(6a、6b)，第一、第二检测电极引线窗口(6a、6b)位于第一至第四检测电极(14a、14b、15a、15b)的下方；结构层(2)上开有第一至第四电加热器电极引线窗口(12a、12b、12c、12d)，检测层(3)上开有第五至第八电加热器电极引线窗口(12e、12f、12g、12h)，第一和第五电加热器电极引线窗口(12a、12e)位于第一电加热器电极(5a)的上方，第二和第六电加热器电极引线窗口(12b、12f)位于第二电加热器电极(5b)的上方，第三和第七电加热器电极引线窗口(12c、12g)位于第三电加热器电极(5c)的上方，第四和第八电加热器电极引线窗口(12d、12h)位于第四电加热器电极(5d)的上方。

2.根据权利要求1所述的微型陀螺仪，其特征在于：第一微型电加热器(4a)和第二微型电加热器(4b)分别位于第一封闭腔体(7a)和第二封闭腔体(7b)的中心位置。

Images