CN104457727A - 微机械压电射流陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明微机械压电射流陀螺，属于通过微机械加工工艺制作的由压电泵产生射流的陀螺仪。用于机器人、头盔、摄像机等微型载体的稳定系统。本发明由敏感元件、底座、外壳、信号处理电路、绝缘子、垫片组成，电源和信号经底座上玻璃灌装的绝缘子接线引出。敏感元件包括压电陶瓷微泵、射流腔体和Pt薄膜热敏电阻，它是由上下两个硅板键合而成，在上硅板上有振膜、泵室、射流腔体和Pt薄膜热敏电阻，下硅板具有与上硅板对称的结构，但没有Pt薄膜热敏电阻，在下硅板的表面被电极，并与上硅板键合构成密闭的射流腔体。信号处理电路包括压电泵驱动电路、电桥电路、放大电路、滤波电路和补偿电路。

Description

微机械压电射流陀螺

技术领域

本发明属于运动体的角速度姿态测量技术领域，特别是属于通过微机械加工工艺制作的微机械压电射流陀螺技术领域。用于机器人、头盔、摄像机等微型载体的稳定系统。

背景技术

压电射流陀螺器件是一种具有陀螺功能而没有传统陀螺的转动部分，也没有压电陀螺悬挂部件的固态惯性器件。压电射流陀螺以气体作为敏感质量，其质量极小，其利用哥氏力使循环气流束偏转来实现角参数的测量，具有成本低、响应时间短、抗冲击能力强、寿命长等优点。现有技术中的压电射流陀螺一般由敏感器件的壳体、喷嘴体、敏感元件、压电泵、泵座、碟簧、锁紧螺母和外部电路系统以及机械系统组成，这种压电射流陀螺是利用传统机械加工工艺制作，体积不可能太小，不能用于头盔、摄像机等微型载体姿态测量和控制领域，因此制约了它的应用和发展。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是进一步减小压电射流陀螺的体积，提出一种体积小、结构简单、抗高冲击的微机械压电射流陀螺，解决在机器人、头盔、摄像机等领域的应用。

本发明微机械压电射流陀螺由底座、外壳组装成腔体、安装腔体内的敏感元件、信号处理电路组成，绝缘子用作电源和信号的引线，电源和信号经底座上玻璃灌装的绝缘子接线引出。敏感元件包括压电陶瓷微泵、射流室和铂(Pt)薄膜热敏电阻，其特征是：

敏感元件的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板内，敏感元件包括有振膜、泵室、气体进口、集流槽、射流喷嘴、射流室、气体出口和铂(Pt)薄膜热敏电阻，振膜制作在硅板边缘，振膜上被覆金属膜电极，振膜以下为泵室，位于泵室近两端处有两个进口，进口的剖面为倒梯形，两个进口下游是两个剖面为矩形的气体馈送口，将气体馈送给集流槽，集流槽的深度比其他凹槽深，射流室剖面为矩形，位于硅片中部，射流室与集流槽之间有缩颈喷嘴，射流室的另一端有气体回流泵室的出口，出口位于两进口中间，出口剖面为正梯形；

铂(Pt)薄膜热敏电阻位于射流室顶部，由Si、SiO₂和金属铂(Pt)构成的三明治结构，硅板内有金属膜电极，作为热敏电阻的输出级；压电陶瓷微泵采用压电陶瓷双晶片，在晶片上下两个圆平面被覆金属膜电极，晶片被覆电极后粘接在振膜有金属被电极的一侧，构成压电陶瓷微泵。

所述陀螺内的气体可在由腔体和敏感元件组成的密闭空间内循环，所述敏感元件的中心与所述进气口的中心均位于所述腔体的中心线上；所述气体在所述压电泵的作用下形成气体射流束，气体射流束经过进气口喷射到敏感元件上，在通过所述出气口进入到气体循环通道中返回，气体射流束喷射到敏感元件上的位置会随外部角速度的改变而发生偏移，进而导致敏感元件上两个相对设置的热敏电阻的电阻值发生改变，经由信号处理电路处理后可根据热敏电阻的电阻相对变化值得出角速度值。

进一步，所述敏感元件的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板上，敏感元件包括有振膜、泵室、气体进口、集流槽、射流喷嘴、射流室、气体出口和铂(Pt)薄膜热敏电阻。

进一步，所述陀螺体积和功耗是现有技术的1／100。

进一步，所述集流槽的截面面积是气体馈送口的2倍。

进一步，所述压电陶瓷微泵气路采用动态无阀被动泵，利用气体阻力代替单向阀的作用，实现气体的定向流动。

进一步，所述喷嘴和射流室、喷嘴与集流室相接处的截面为梯形过渡。

进一步，所述进气喷嘴沿气流方向直径渐短的缩口。

进一步，所述出气口沿气流方向直径渐短的缩口。

本发明中微机械压电射流陀螺具有下列优点：

(1)陀螺以气体作为敏感质量，具有较高的抗冲击、强振动能力。

(2)该陀螺体积和功耗是现有技术的1／100，应用领域广阔。

(3)采用无阀门的动态压电泵，具有驱动能力大，响应快，可靠性高的特点。

(4)该陀螺结构简单、成本低，易于加工，适合于大批量生产。

附图说明

图1为本发明微机械压电射流陀螺结构示意图；

图2a为上硅板微机械压电射流陀螺敏感元件剖视图；

图2b为下硅板微机械压电射流陀螺敏感元件剖视图；

图3为微机械压电射流陀螺气体流通图；

图4为信号处理电路；

图5为微机械压电射流陀螺检测电桥示意图。

具体实施方式

微机械压电射流陀螺敏感角速度的前提是气体在敏感元件内循环。气体能否循环主要取决于压电泵的射流室的结构和驱动能力。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明微机械压电射流陀螺由敏感元件1、底座2、外壳3、信号处理电路4、绝缘子5、垫片6组成，电源和信号经底座2上玻璃灌装的绝缘子5接线引出(如图1所示)，敏感元件1包括压电陶瓷微泵7、射流气路和薄膜热敏电阻8a、8b，其特征是：

敏感元件1的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板内，其硅板由上下两个硅板9a、9b组成，在上硅板9a上制作振膜10、射流气路和薄膜热敏电阻8a、8b(见图2a)；射流气路包括泵室11、气体进口12a、12b、气体馈送口13a、13b、集流槽14a、14b、射流喷嘴15、射流室16、气体出口17；在振膜10外侧被覆金属膜电极18，振膜10以下为泵室11，气体进口12a、12b位于泵室11近两端处，进口12a、12b的剖面为倒梯形；两个进口12a、12b下游是两个剖面为矩形的气体馈送口13a、13b，将气体馈送给集流槽14a、14b；集流槽14a、14b的深度比其他凹槽深，其截面面积是气体馈送口13a、13b的2倍；射流室16剖面为矩形位于上硅板9a中部，射流室16的一端有缩颈的射流喷嘴15，另一端有气体回流泵室11的出口17，集流槽14a、14b的气流在气路顶端汇聚经缩颈的射流喷嘴15射入射流室16，喷嘴14与集流槽14a、14b相接处的剖面为喇叭形缩颈过渡；出口17位于两进口12a、12b中间，出口17剖面为正梯形；薄膜热敏电阻8a、8b位于射流室16的出口17端，由Si、SiO₂和金属铂(Pt)构成的三明治结构；在与薄膜热敏电阻8a、8b相连的出口17两侧被覆金属膜电极19a、19b和金属膜电极20a、20b；在上硅板9a上制作的振膜10、泵室11、气体进口12a、12b、气体馈送口13a、13b、集流槽14a、14b、射流喷嘴15、射流室16、气体出口17只是气路部件的半个凹槽；气路部件的另半个凹槽在下硅板8b上制作(见图2b)，但结构中没有薄膜热敏电阻8a、8b，每个部件位置与上硅板9a镜像对称，下硅板9b的气体馈送口13a、13b相对应部分不刻蚀凹槽，上下硅板9a、9b的边框21表面分段被覆金属膜电极，气体馈送口13a、13b相对应部分不刻蚀凹槽部分也被覆金属膜电极，使每段分别与金属膜电极19a、19b和金属膜电极20a、20b在上下硅板9a、9b键合后电气上相通，金属膜电极19a、19b和金属膜电极20a、20b作为热敏电阻8a、8b的输出接线端；将半成品的上下两个硅板9a、9b键合后得到密封的、完整的气路，并包括有振膜10和薄膜热敏电阻8a、8b；

压电陶瓷微泵7采用压电陶瓷双晶片22驱动，在晶片22上下两个圆平面被覆金属膜电极23，晶片22被覆电极23后粘接在振膜10有被覆金属膜电极18的一侧(见图2a)，构成压电陶瓷微泵7。

信号处理电路(见图4)包括压电泵驱动电路24、电桥电路25、放大电路26、滤波电路27、补偿电路28，如图4所示。信号处理电路4电源采用正负级稳压直流电源，其电压值要根据薄膜热敏电阻8a、8b的阻值、单片机供电电压和实用信号大小而定。

由于压电陶瓷微泵7工作时振膜10在压电陶瓷双晶片22驱动下振动，压电陶瓷微泵7向射流气路是脉动供气，射流喷嘴15在气流实际喷射中是随振膜10的振动而脉动，射流喷嘴15喷出的射流脉动幅度越小越好，供气路中贮气占有量越大，射流喷嘴15喷出的射流脉动幅度越小。为此，集流槽14a、14b的深度比其他凹槽深，其截面面积是气体馈送口13a、13b的二倍，目的是尽量增大集流槽14a、14b贮气占有量，以便获得好的射流质量。

一般的微泵都具有单向阀门，其制作工艺复杂而且易损坏，寿命短，因此可靠性不高。本实施例微机械压电射流陀螺的压电陶瓷微泵7气路采用动态无阀被动泵，这种动态无阀被动泵没有阀门，是将气体进口12a、12b通道截面作成倒梯形，气体出口17通道作成正梯形，倒梯形的气体进口12a、12b在相同压力变化条件下进气速率大于回气速率，同理正梯形的气体出口17出气速率大于回气速率，利用这种气体阻力代替单向阀的作用，实现气体的定型流动。它具有驱动能力大，响应快，可靠性高的特点。

为了减少了因棱角阻碍和气流束面积突然变化而形成的涡流区，减少额外能量损失，使射流容易产生循环，保持气流速度的稳定，喷嘴14与射流室16、喷嘴14与集流槽14a、14b相接处的截面为梯形过渡。

本实施例微机械压电射流陀螺敏感元件的制作均采用成熟的微机械加工工艺，敏感元件的制作工艺简单，其制作工艺如下：

制备上硅板9a

(1)在N型(100)硅衬底上热氧化生长二氧化硅作为绝缘层。

(2)真空蒸镀法淀积铂(Pt)薄膜。

(3)光刻出两条铂(Pt)薄膜热敏电阻的形状。

(4)以光刻胶为掩膜刻蚀铂(Pt)。

(5)铂(Pt)为掩膜刻蚀二氧化硅。

(6)采用各向异性腐蚀液腐蚀单晶硅得到振膜10、泵室11、气体进口12a、12b、集流槽14a、14b、射流喷嘴15、射流室16、气体出口17和铂(Pt)薄膜热敏电阻8a、8b结构，形成上硅板9a。

(7)以机械掩膜溅射振膜10外侧的被覆金属膜电极18、出口17两侧的被覆金属膜电极19，电极选材或铝或金。

制备下硅板9b

(8)采用各向异性腐蚀液腐蚀单晶硅得到下硅板，并溅射电极。

上硅板9a和下硅板9b键合

(9)上硅板9a与下硅板9b键合采用键合机进行Si-Si键合，形成密闭射流室。

(10)上硅板9a与下硅板9b键合后，在振膜10一侧溅射电极，并将被好的压电陶瓷双晶片22粘接在振膜10上，形成压电陶瓷微泵7。

微机械压电射流陀螺的体积可做到20×18×12(mm³)，测量范围为120°／S，分辨率为优于0.01°／S，响应时间优于20Ms，非线性度优于1％。

本实施例微机械压电射流陀螺的工作过程(见图3)。

敏感元件1的射流29由压电陶瓷微泵7驱动产生，压电陶瓷双晶片片22在外加交变激励电压驱动下作鼓形振动，当振膜10向内压迫时，泵室11收缩，泵室11内的气体经气体进口12a、12b经气体馈送口13a、13b进入集流槽14a、14b，经出口17进入射流室16，当振膜10向外运动时，泵室11扩张，集流槽14a、14b内的气体经气体馈送口13a、13b、气体进口12a、12b回流泵室11，射流室16的气体也经出口17回流泵室11。由于动态被动阀(即气体进口12a、12b的结构为倒梯形、出口17的结构为正梯形)的微扩散作用，流经气体进口12a、12b的流量大于回流的流量；同理，射流室16的气体经气体出口17的流回泵室11的量大于回流的流量。这种不平衡的气体流动促成了射流气路中的气体循环流动，这时气体表现为从由泵室11进口12a、12b进入，由出口17的流回泵室11。随着压电陶瓷微泵7的振膜10周期性振动，气体不断地从气体馈送口13a、13b送入集流槽14a、14b，又不断的从射流室排出到泵腔，从而形成一稳定的连续射流束。

射流喷嘴15产生射流束29，在射流室16内射向一对铂(Pt)薄膜热敏电阻8a、8b。一旦有角速度信号输入，原来从铂(Pt)薄膜热敏电阻薄膜热敏电阻8a、8b对称中心通过的射流束在哥氏力的作用下就会向某一方向偏离，造成一对铂(Pt)薄膜热敏电阻薄膜热敏电阻8a、8b不同的冷却，从而由电桥电路25检测偏离量的电信号，得到与角速度成正比的电信号，如图5所示。

当输入角速度为ω_i时，由于哥氏加速度的作用，射流束偏离中心位置，并作用到铂(Pt)薄膜热敏电阻8a、8b上。如图4所示，热敏电阻8a、8b因受射流29冷却而发生电阻变化，使电桥失去平衡，输出正比于角速度的电信号V₀。射流29偏离的量值和方向决定于外加的角速度矢量。若偏离量为Y，则哥氏加速度为：

$\stackrel{\·\·}{Y}=2{\mathrm{\ω}}_i{V}_j---\left(1\right)$

从上式可得，射流29穿过热敏电阻8a、8b时由于哥氏力作用而产生的射流29偏移速度和偏离量分别为

$\stackrel{\·}{Y}={2\mathrm{\ω}}_i{V}_{j}t---\left(2\right)$

Y＝ω_iV_jt²    (3)

若热敏电阻8a、8b与喷嘴14之间的距离为L，则

L=V_jt    (4)

将式(4)分别代入式(2)和式(3)，得

$\stackrel{\·}{Y}={2\mathrm{\ω}}_{i}L---\left(5\right)$

Y=ω_iLt    (6)

$Y={\mathrm{\ω}}_i\frac{L^2}{V_j}---\left(7\right)$

由式(5)可以看出，气流速度Y正比于输入角速度ω_i。因为穿过热敏电阻8a、8b时的气流速度为

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{\stackrel{\·}{Y}}+{\stackrel{\→}{V}}_j---\left(8\right)$

所以，速度的大小为

$V=\sqrt{{V_j}^2+{\stackrel{\·}{Y}}^2}=\sqrt{{V_j}^2+{4L}^2{{\mathrm{\ω}}_i}^2}---\left(9\right)$

当V_j、L一定时，式(9)可以简化为

ω_i＝(aV²-b)^0.5    (10)

式中，a=1／4L²；b=V_j ²／4L²。它们是与压电陶瓷微泵7和陀螺结构尺寸有关的常数。

从上式可以看出气流V随输入角速度ω_i变化关系。在微机械压电射流角速度传感器中，信号由两根平行分布的铂(Pt)薄膜热敏电阻8a、8b敏感，这两个热敏电阻组成电桥的两个臂。热敏电阻8a、8b的热交换机理遵循能量交换原理。气流束的运动速度不同，对电桥的影响也不同，电桥的输出电压也不同。而且，当输入角速度的方向不同时，V的方向也不同，从而对两个热敏电阻的影响也不同，这样就可以辨识出角速度的方向。

本实施例的优点是：

(1)微机械气体摆式倾角传感器是现有技术中压电射流角速度传感器体积的1／100，成本的1／20。

(2)由于射流室结构独特、压电泵驱动能力强，使气体容易循环。

(3)可用于头盔、摄像机等微型载体的稳定系统。

Claims (9)

1.一种微机械压电射流陀螺，其特征为该陀螺由底座、外壳组装成腔体、安装腔体内的敏感元件、信号处理电路组成，绝缘子用作电源和信号的引线，电源和信号经底座上玻璃灌装的绝缘子接线引出。敏感元件包括压电陶瓷微泵、射流室和铂(Pt)薄膜热敏电阻。 

2.根据权利要求1所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述敏感元件的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板内，敏感元件包括有振膜、泵室、气体进口、集流槽、射流喷嘴、射流室、气体出口和铂(Pt)薄膜热敏电阻，振膜制作在硅板边缘，振膜上被覆金属膜电极，振膜以下为泵室，位于泵室近两端处有两个进口，进口的剖面为倒梯形，两个进口下游是两个剖面为矩形的气体馈送口，将气体馈送给集流槽，集流槽的深度比其他凹槽深，射流室剖面为矩形，位于硅片中部，射流室与集流槽之间有缩颈喷嘴，射流室的另一端有气体回流泵室的出口，出口位于两进口中间，出口剖面为正梯形；铂(Pt)薄膜热敏电阻位于射流室顶部，由Si、SiO₂和金属铂(Pt)构成的三明治结构，硅板内有金属电极，作为热敏电阻的输出极；压电陶瓷微泵采用压电陶瓷双晶片，在晶片上下两个圆平面被覆金属膜电极，晶片被覆电极后粘接在振膜有金属被电极的一侧，构成压电陶瓷微泵。 

3.根据权利要求1所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述陀螺体积和功耗是现有技术的1／100。 

4.根据权利要求2所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：集流槽的截面面积是气体馈送口的2倍 。 

5.根据权利要求2所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：压电陶瓷微泵气路采用动态无阀被动泵，这种动态无阀被动泵没有阀门，是将气体进口通道截面作成倒梯形，气体出口通道作成正梯形，倒梯形的气体进口在相同压力变化条件下进气速率大于回气速率，正梯形的气体出口出气速率大于回气速率。利用这种气体阻力代替单向阀的作用，实现气体的定向流动。 

6.根据权利要求1-5任一所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：为了减少因棱角阻碍和气流束面积突然变化而形成的涡流区，减少了额外能量损失，使射流容易产生循环，保持气流速度的稳定，喷嘴和射流室、喷嘴与集流室相接处的截面为梯形过渡。 

7.根据权利要求1-6任一所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述进气。 

8.喷嘴沿气流方向直径渐短的缩口。 

9.根据权利要求1-6任一所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述出气口沿气流方向直径渐短的缩口。