CN2722252Y

CN2722252Y - 微型射流角速率传感器

Info

Publication number: CN2722252Y
Application number: CN 200420009040
Authority: CN
Inventors: 周健; 闫桂珍; 杨楷
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2014-05-20

Abstract

本实用新型公开了一种微型射流角速率传感器，包括有底座、盖体、两热敏电阻、谐振驱动器和检测热敏电阻用的检测电路，底座和薄膜盖之间形成空腔，空腔被分为振动腔、检测腔、两个对称的微型射流泵、集流腔和尾气腔，振动腔的气体出口即为微型射流泵的气体入口，微型射流泵与集流腔相连，集流腔与检测腔相通，检测腔的气体通过尾气腔流回振动腔；两热敏电阻对称固定在底座上，并接入检测电路中；振动腔部分的盖体为薄膜层，谐振驱动器固定在薄膜盖层。本实用新型的玻璃片和硅片能够采用MEMS(Micro－Electro－Machanical－System，微机电系统)工艺来制作，具有微型化、可批量生产、成本低、结构简单、无可动部件、易于与驱动以及信号检测电路实现单片集成等优点。

Description

微型射流角速率传感器

技术领域

本实用新型涉及一种微型射流角速率传感器。

背景技术

循环气流的流场分布在哥氏力作用下会发生偏转，人们利用该原理，研制出了压电射流角速率传感器。这种传感器利用运动气流来敏感角速率，没有可动的固体部件，因而抗冲击能力非常强，可以承受很大的过载，并且还具有寿命长、成本低的特点。其可用于坦克、炮弹、导弹和舰船等领域。早在60年代至80年代，美国一些公司就对各种射流角速率传感器的工作原理、结构设计和实用的可能性进行了研究。美国的压电射流角速率传感器已用于炮弹末制导，且已批量生产。如图1所示，为现有技术的压电射流陀螺的剖面图。在压电泵17的驱动下，器件内部的气体形成循环，在检测腔18中形成从右向左的气流，而在外加角速度的作用下，检测腔中的气流流场发生偏转，流场的偏转致使两热敏电阻丝上流过的气流速度不再相等，两热敏电阻丝的阻值不再相等，角速度越大，两热敏电阻丝的阻值差异也越大，通过与热敏电阻丝连接的电桥电路即可检测出阻值的差异，从而计算出被测物体的角速度。

但是，目前压电射流角速率传感器都是采用传统的机械加工的方法来制作的，因而体积比较大，限制了其应用范围，另外其成本也难以进一步降低。

实用新型内容

针对现有射流角速率传感器所存在的问题和不足，本实用新型提出了一种易加工、体积小成本低的微型射流角速率传感器。

本实用新型的技术方案为，一种微型射流角速率传感器，包括有底座、盖体、两热敏电阻、谐振驱动器和检测所述热敏电阻用的检测电路，所述底座和薄膜盖之间形成空腔，所述空腔被分为振动腔、检测腔、两个对称的微型射流泵、集流腔和尾气腔，所述振动腔的气体出口即为所述微型射流泵的气体入口，所述微型射流泵与所述集流腔相连，所述集流腔与所述检测腔相通，所述检测腔的气体通过所述尾气腔流回所述振动腔；所述两热敏电阻对称固定在所述底座上，并接入所述检测电路中；所述振动腔部分的盖体为薄膜层，所述谐振驱动器固定在所述薄膜盖层。

进一步地，所述的热敏电阻具体设置于所述检测腔中。

进一步地，所述的底座为易于刻蚀的玻璃；所述的薄膜盖易于腐蚀的半导体硅。

进一步地，所述的底座和盖体之间通过静电键合技术粘贴。

本实用新型采用玻璃片和硅片作为基体，分别在其上刻蚀出各个腔体，再将这两块经过刻蚀的玻璃片和硅片通过静电键合技术粘贴起来，形成封闭的结构。于其内设置两同样的热敏电阻。并在振动腔部分的薄膜层上设置有谐振驱动器，形成振源以产生振动，使各腔体内的气体循环流动。由于腔体均为对称设置，在常态状况下，流经热敏电阻的气流相等，其阻值相等。但将本实用新型置于旋转体上后，在外加角速度的作用下，检测腔中的气流流场发生偏转，流场的偏转致使两热敏电阻丝上流过的气流速度不再相等，从而导致两热敏电阻丝的阻值不再相等，角速度越大，两热敏电阻丝的阻值差异也越大。通过检测电路检测两热敏电阻丝的阻值具体差异，以计算待测物体的角速度。本实用新型正是利用循环气流在哥氏力作用下发生偏转来检测待测物体的角速度的。本实用新型的玻璃片和硅片能够采用MEMS(Micro-Electro-Machanical-System，微机电系统)工艺来制作，具有微型化、可批量生产、成本低、结构简单、无可动部件、易于与驱动以及信号检测电路实现单片集成等优点。

附图说明

下面结合附图，对本实用新型做出详细描述。

图1为现有压电射流角速率传感器的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为图2的A-A剖视示意图；

图4为本实用新型在有角速度和无角速度情况下检测腔气流变化示意图；

图5为本实用新型检测热敏电阻的检测电路示意图；

图6为本实用新型实际应用检测电路示意图。

具体实施方式

如图2、3所示，本实用新型由底座1和盖体2构成，其中，底座1是玻璃片，盖体2为硅片。玻璃片采用湿法深刻蚀工艺刻蚀为图2中所示的槽形结构，构成本实用新型的底座1，硅片采用体硅腐蚀技术腐蚀为与底座1可配合的槽形，将底座1和盖体2通过静电键合技术粘贴起来，形成一个封闭的结构，如图3所示。这样，如图2所示，底座1和盖体2之间就形成了振动腔3、两个对称的微型射流泵4、检测腔5、集流腔6和尾气腔7。

振动腔3部分的盖体2制作成薄膜层，如图3所示，为加工方便，盖体2的厚度一致。振动腔3部分的盖体2上安装有谐振驱动器9，谐振驱动器9可以采用多种驱动方式，比如静电、电磁、压电等等，如果谐振驱动器9采用压电驱动方式，则可以在振动腔的上壁薄膜上粘贴一压电陶瓷片来实现。由谐振驱动器9使振动腔的上壁薄膜产生周期性的振动。由于振动腔3与两对称的微型射流泵4以及尾气腔7相连通，微型射流泵4又与集流腔6连通，集流腔6通过检测腔5与尾气腔7相连通，即各腔室整体保持连通。在振动腔3上的薄膜层周期性振动时，薄膜层向下运动，振动腔3体积减小的半个周期中，振动腔中的气体通过入气口高速喷向两个微型射流泵4，如图2的箭头流向所示。根据射流泵的理论，同时其会携带一部分来自尾气腔7的气体，通过微型射流泵4进入集流腔6；在另外半个周期中，薄膜向上振动，振动腔3体积增大并吸入气体，由于腔室的结构，这些气体全部来自尾气腔7，这样，集流腔6中的气体通过检测腔5压入尾气腔7。形成如图2箭头所示的稳定的气流流向。稳定运行时，每个周期中尾气腔7里面的气体都有一部分被吸入振动腔3，然后被喷射进入射流腔4，进而到达集流腔6，而集流腔6的气体又通过检测腔5进入尾气腔7。这样，当薄膜不断周期性的振动时，将形成如图2所示的稳定的气流循环，这样，就在检测腔中形成了用于检测角速度的稳定的气流。

如图2所示，在检测腔5中以检测腔中心为对称轴安置一对阻值相等的热敏电阻10，用于待测物体角速度的检测。

本实用新型的原理为，如图4所示，检测腔5中的气流处于层流状态时，气流速度(Vx)分布为一个沿中心线对称的旋转抛物面，中心流速最高，为Vm，越靠近管壁流速越低，距离中心最远端R的壁面处V＝0，距离中心r处的速度分布为：

V_{x} = V_{m} (1 - \frac{r^{2}}{R^{2}})

当外界输入角速度ω时，抛物面顶点将发生偏转，如图4中虚线所示。在中心线两侧设置两根对称的热敏电阻R1、R2。当没有角速度输入，ω＝0时，Vx抛物面顶点与两根热敏电阻的对称中心线重合，如图中实线所示，流过两热敏电阻的气流速度相同，两热敏电阻散热相同，阻值相等。当输入顺时针方向角速度ω时，Vx抛物面顶点偏离中心轴线，使上部流速大于下部流速，如图中虚线所示，结果就是使得上部的热敏电阻R1散热加快，阻值变小，下部热敏电阻R2散热减缓，阻值增大。如图5所示，将两热敏电阻R1、R2接入测量用的桥式电路中，通过检测阻值的变化来检测物体的角速度。热敏电阻阻值变化时，电桥输出一个相应的电压信号Uout。当输入相反方向的角速度时，则电桥输出一个相反极性的信号。由于运动气流受到的哥氏加速度和输入的角速度的大小成正比，有如下关系：

a_c＝2V×ω

所以，角速度ω越大，流场的偏转越厉害，流过两个热敏电阻的气流速度之差就越大，两个热敏电阻的阻值之差也就越大，相应的电桥输出的电压信号也越大，通过检测电桥输出电压的大小，即可获取角速度ω的信息。

如图2所示，本实用新型的热敏电阻10设计成双线形，其端部在底座1一端引出，以方便接入检测电路中。

如图6所示，实际应用时，由于电桥输出的信号非常微弱，必须采用后面的放大电路进行放大处理才能够读出。如图6所示，检测输出端还连接一放大器U1、滤波器U2和直流放大器U3。两个热敏电阻R1、R2与两个参考电阻R组成差动电桥，在角速度作用下，其中一个热敏电阻阻值变大，另外一个变小，电桥输出一个差动信号，此差动信号被前置放大器U1进行放大，前置放大器采用高输入阻抗、低噪声、高共模抑制比的仪表放大器(INA103)；电桥输出的微弱信号经过前置放大器U1放大后被送入低通滤波器U2进行滤波，以消除信号中的一些高频干扰；信号经过滤波后进入直流放大器U3(AD822)进一步的放大并输出。通过输出的电压信号即可计算出待测物体的角速度。

Claims

1、一种微型射流角速率传感器，其特征在于，该测量仪包括有底座、盖体、两热敏电阻、谐振驱动器和检测所述热敏电阻用的检测电路，所述底座和薄膜盖之间形成空腔，所述空腔被分为振动腔、检测腔、两个对称的微型射流泵、集流腔和尾气腔，所述振动腔的气体出口即为所述射流腔的气体入口，所述射流腔与所述集流腔相连，所述集流腔与所述检测腔相通，所述检测腔的气体通过所述尾气腔流回所述振动腔；所述两热敏电阻对称固定在所述底座上，并接入所述检测电路中；所述振动腔部分的盖体为薄膜层，所述谐振驱动器固定在所述薄膜盖层。

2、如权利要求1所述的微型射流角速率传感器，其特征在于，所述的热敏电阻具体设置于所述检测腔中。

3、如权利要求1所述的微型射流角速率传感器，其特征在于，所述的底座为易于刻蚀的玻璃；所述的薄膜盖为易于腐蚀的半导体硅。