CN1326091A - 微型射流陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型测量仪器技术领域,包括一个封闭的射流源腔,在射流源腔两侧通过小孔径的通道分别与两个封闭的检测腔相连;射流源腔其上下壁的薄膜上分别设置有谐振驱动器;两个检测腔的中部设置有相互对称的若干个温度传感器,以及与该各对温度传感器相连的检测电路。本发明为具有结构简单、无活动部件、可以基本利用标准工艺制作的微机电系统,并有较高的可靠性和产品合格率,可以充分发挥微系统可大批量生产的优点。

Description

微型射流陀螺

本发明属于微型测量仪器技术领域，特别涉及微型导航器件的设计。

微机电系统(MEMS)是指可以用微电子等批量加工工艺制造的集微机械与微电子等部件于一体的微系统，它可以分成多个独立的功能单元，输入的物理或化学信号由传感器转换为电信号，经过信号处理后，通过执行器与外界作用。MEMS的特点和优点是显而易见的：体积小、重量轻、性能稳定、通过IC等工艺可批量生产、成本低、性能一致性好、功耗低、谐振频率高、响应时间短、综合集成度高、附加值高、具有多种能量转化、传输等功能的效应等。鉴于上述特性和优点，MEMS自80年代中末期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。

沿垂直于敏感轴向作振动的加速度计能敏感垂直于敏感轴和振动轴的第三轴的旋转角速率。利用该原理研制的惯性元件，能敏感角速率。人们利用该原理，先后研制出了速率陀螺和速率积分陀螺，特别是采用MEMS技术研制的微机械振动陀螺具有很大的发展前途。其结构主要是由活动的质量块附加振动装置及加速度检测装置组成，如图1所示。硅片21(活动的质量块)沿Z轴方向振动，当有沿X轴方向的角速度时，硅片会产生沿Y轴方向的加速度，该加速度使得硅片在Y方向上产生偏移，偏移被安置在两面玻璃22上的电极23所探测，由此测得加速度。该加速度中除牵连加速度、相对加速度、还包含哥氏加速度，由于前两部分均为平方项，而第三项随着振动速度的正负反向呈现出正负交变特性，通过对正负半周进行差分处理，可以将平方项消除，仅仅保留交变的哥氏部分。因为哥氏加速度与沿X方向的角速度成正比，所以知道哥氏加速度即可求得角速度。该设计结构比较复杂，有活动部件(硅片)，需要采用复杂的硅加工工艺，工艺难度较大，由此带来可靠性差，产品合格率低。目前国际上还没有批量生产的微机械陀螺。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种微型射流陀螺，使其具有结构简单、尽可能无活动部件，可以基本利用标准工艺制作的微机电系统，并有较高的可靠性和产品合格率，可以充分发挥微系统可大批量生产的优点。

本发明提出的一种微型射流陀螺，其特征在于，包括一个封闭的射流源腔，在所说的射流源腔两侧通过小孔径的通道分别与两个封闭的检测腔相连；所说的射流源腔其上下壁的薄膜上分别设置有谐振驱动器；所说的两个检测腔的中部设置有相互对称的若干个温度传感器，以及与该各对温度传感器相连的检测电路。

本发明所说的检测电路可包括：所说的每对热敏电阻与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏电阻之间、两参考电阻之间与一级差动放大器相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；两个二级差动放大器的输出端与一个三级差动放大器相连，如此构成多级差动电路；最后一级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连。

本发明可选用半导体硅材料，主要采用半导体平面工艺、正面体硅工艺、硅硅键合工艺制作。可分别在两块半导体硅片上采用体硅腐蚀技术蚀刻出完全对称的并排的一个射流源腔体和两个检测腔体，将这两块经过蚀刻的硅片通过硅硅键合技术粘贴起来，形成三个封闭的腔体，射流源腔体的上下壁制作成薄膜，配以谐振驱动器，两检测腔中部配以温度传感器。

本发明的技术特点在于：利用封闭腔体内由周期性地驱动硅薄膜使气体通过狭小孔形成稳定射流的效应，用气流(气体分子流动)作为敏感载体，省去了活动质量块，结构简单、工艺上可以采用和IC工艺兼容的表面工艺和正面体硅工艺，易于与驱动电路实现单片集成，由于没有活动的质量块，它具有大量程和耐冲击的特点；该发明的技术特点还在于通过热敏丝的对称放置和后续的信号处理消除了非哥氏效应之外的其它加速度的影响，并提高了测量灵敏度；该发明中的设计在国内外还没有相关、相似的设计，国内有关微机电器件的发明还没有，本发明属于国内首例MEMS器件发明。

附图的简要说明：

图1为已有的微机械振动陀螺结构示意图；

图2为本发明的微型射流陀螺实施例结构示意图，

其中，a为主剖视图，b为的A—A向剖视图；

图3为本发明的微型射流陀螺检测电路实施例图。

本发明设计的一种微型射流陀螺实施例，其结构及工作原理结合各附图详细说明如下：

本实施例选用半导体硅材料，主要采用半导体平面工艺、正面体硅工艺、硅硅键合工艺制作。其结构结构如图2所示。由一个封闭的射流源腔、两个封闭的检测腔、谐振驱动器、相互对称的4对温度传感器(热敏电阻)构成。分别在两块半导体硅片1和2上采用体硅腐蚀技术蚀刻出完全对称的并排的三个腔体，将这两块经过蚀刻的硅片通过硅硅键合技术粘贴起来，形成三个封闭的腔体3、6、7。腔体3为射流源腔，腔体的上下壁制作成薄膜，配以谐振驱动器4和5，由谐振驱动器使薄膜产生周期性的振动。由于腔体3与两边的检测腔6和7分别通过小孔径的通道8和通道9相连，薄膜的周期振动导致腔体3内的气体以涡环的形式分别从小孔8和小孔9向检测腔6和7射入，而在另一半周期气体又从小孔的边沿处被吸入射流源腔，稳定运行时一个周期内进入检测腔的净质量流量为零，正因为射流的这一特点，使得在一个相对于小孔8、9足够大的封闭检测腔内形成稳定的射流。检测腔6中的射流速度沿X轴的负向，设为-V；7腔中的射流速度沿X轴正向，设为V。在两检测腔中部横向表面上以射流方向为对称轴对称安置若干个热敏电阻10、11、12、13、14、15、16、17。

本实施例的检测电路组成及原理结合图3说明如下：

两热敏电阻R10和R12与两参考电阻R1组成电阻电桥B1，R10与R12之间的差动电阻信号通过差动放大器U1(MAX4199)得到；两热敏电阻R13和R11与两参考电阻R2组成电阻电桥B2，R13与R11之间的差动电阻信号通过差动放大器U2(MAX4199)得到；两热敏电阻R14和R16与两参考电阻R1组成电阻电桥B3，R14与R16之间的差动电阻信号通过差动放大器U3(MAX4199)得到；两热敏电阻R17和R15与两参考电阻R2组成电阻电桥B4，R17与R15之间的差动电阻信号通过差动放大器U4(MAX4199)得到；R10、R12的差动和R13、R11的差动之间的二次差动信号通过差动放大器U5(MAX4199)得到；R14、R16的差动和R17、R15的差动之间的二次差动信号通过差动放大器U6(MAX4199)得到；两个二次差动信号之间的三次差动信号通过差动放大器U7(MAX4198)得到；经过相敏解调器U8(AD630)将陀螺信号(即角速度信号)从交变的振动源信号中解调出来，再经过低通滤波器U9(MAX263)消除信号中的高频干扰，由直流放大器U10(LM324)将信号放大并输出。

本发明的工作原理结合图2、3说明如下：

设置在射流源腔体上下壁的谐振驱动器使薄膜产生周期性的振动。由于射流源腔体与两边的检测腔分别通过小孔径的通道相连，薄膜的周期振动导致腔体3内的气体以涡环的形式分别从小孔8和小孔9向检测腔6和7射入，而在另一半周期气体又从小孔的边沿处被吸入射流源腔，稳定运行时一个周期内进入检测腔的净质量流量为零，正因为射流的这一特点，使得在一个相对于小孔8、9足够大的封闭检测腔(沿射流方向的检测腔体尺寸应大于孔径15倍)内形成稳定的射流。检测腔6中的射流速度沿X轴的负向，设为-V：腔7中的射流速度沿X轴正向，设为V。在两检测腔中部横向表面上以射流方向为对称轴对称安置若干个热敏电阻10、11、12、13、14、15、16、17。当有绕Y轴方向的角速度ω存在时，将会导致产生沿Z轴方向的绝对加速度a：

$a_1=a_0+\frac{V^2}{r}+{\mathrm{r\ω}}^2+2\mathrm{\ωV}$ 腔6中射流沿Z轴的加速度

$a_2=a_0+\frac{V^2}{r}+{\mathrm{r\ω}}^2-2\mathrm{\ωV}$ 腔7中射流沿Z轴的加速度其中a₀为沿Z轴方向的牵连线加速度，V为射流速度，r为角速度ω的旋转轴心与射流的距离，等式右边第四项2ωV为哥氏加速度。射流在加速度的作用下沿Z轴发生偏转，使得热敏电阻之间的温度产生差异。热敏丝采用热敏电阻，可以与外接参考电阻构成电阻电桥。设热敏电阻10、11、12、13、14、15、16、17上测得的温度分别为T₁₀(对应电阻R₁₀)、T₁₁(R₁₁)、T₁₂(R₁₂)、T₁₃(R₁₃)、T₁₄(R₁₄)、T₁₅(R₁₅)、T₁₆(R₁₆)、T₁₇(R₁₇)。以下为信号处理方法：第一步：测得检测腔6中的温差ΔT₁＝b₁·(T₁₀－T₁₂)＋b₂·(T₁₁－T₁₃)，和检测腔7中的温差ΔT₂＝b₁·(T₁₄－T₁₆)＋b₂·(T₁₅－T₁₇)，其中b₁和b₂为加权常数；第二步：温差ΔT₁与加速度a₁成正比，即

ΔT₁＝K·a₁温差ΔT₂与加速度a₂成正比，即

ΔT₂＝K·a₂将两温差再求差，得：

ΔT₂－ΔT₁＝K·(a₂－a₁)＝K·4ωV＝K′ωV由于K′为预知常数，V为可控、可测的射流速度，因而待测角速度ω为 $\frac{{\mathrm{\ΔT}}_2-{\mathrm{\ΔT}}_1}{K^{\′}V}$

本实施例的效果：设置驱动薄膜的谐振频率，使在两检测腔体中形成稳定的等速、反向射流，此时通过电阻电桥检测对称热敏丝之间的温差，由前面的公式可以求出角速度ω。由于利用微型泵形成射流V，该速度可以达到10m/s或以上；根据已有的热对流式加速度计(体积仅占毫米立方)的灵敏度为毫g，则角速度的灵敏度可优于O.02度/秒；根据成熟技术热对流加速度计的有效量程为10g，射流式微陀螺的有效检测量程为150度/秒。如果进一步提高热敏检测的灵敏度和量程，可以相应提高微型射流陀螺的灵敏度和量程。

Claims (2)

1、一种微型射流陀螺，其特征在于，包括一个封闭的射流源腔，在所说的射流源腔两侧通过小孔径的通道分别与两个封闭的检测腔相连；所说的射流源腔其上下壁的薄膜上分别设置有谐振驱动器；所说的两个检测腔的中部设置有相互对称的若干个温度传感器，以及与该各对温度传感器相连的检测电路。

2、如权利要求1所述的微型射流陀螺，其特征在于，所说的检测电路包括：所说的每对热敏电阻与两参考电阻组成一电阻电桥，每个电阻电桥中的两热敏电阻之间、两参考电阻之间与一级差动放大器相连；两个一级差动放大器的输出端与一个二级差动放大器的输入端相连；两个二级差动放大器的输出端与一个三级差动放大器相连，如此构成多级差动电路；最后一级差动放大器的输出端与一个相敏解调器的输入端相连，该相敏解调器的输出端与一个低通滤波器的输入端相连，该低通滤波器的输出端与一个直流放大器的输入端相连。

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