MEMS流體陀螺基本原理及應(yīng)用前景

引 言

MEMS技術(shù)的發(fā)展使得慣性技術(shù)領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的變化。慣性傳感器是利用物體的慣性性質(zhì)來測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)情況的一類傳感器，包括加速度計(jì)和陀螺。其中微陀螺在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如航空航天和航海事業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。除了傳統(tǒng)的機(jī)械式振動(dòng)陀螺外，各種新型陀螺也層出不窮，如靜電支撐陀螺、磁支撐陀螺、微流體陀螺、超導(dǎo)陀螺等，這些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的優(yōu)勢(shì)，下面就流體陀螺的研究和發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行介紹。

1 各種流體陀螺簡(jiǎn)介

流體類陀螺儀與傳統(tǒng)陀螺儀相比，由于沒有懸掛質(zhì)量塊，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，制作難度降低，更重要的是，省去了復(fù)雜的活動(dòng)部件，其抗沖擊、抗振動(dòng)能力大大提高，特別適合在高沖擊、高振動(dòng)環(huán)境下使用。

流體陀螺的基本原理主要有兩種：一種是在外界的控制下流體本身產(chǎn)生角動(dòng)量，流體作為常規(guī)的轉(zhuǎn)子，形成測(cè)量外界角速度的角動(dòng)量，當(dāng)外界有角速度輸入時(shí)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)流體與殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生敏感變化的輸出信號(hào)。另一種則是利用流體系統(tǒng)的科氏加速度來產(chǎn)生敏感變化的輸出信號(hào)。

1.1 氣體對(duì)流陀螺

圖1是由清華大學(xué)設(shè)計(jì)、中國(guó)電子集團(tuán)第13研究所加工而成的微流體陀螺儀。它是利用氣體流速方向在哥氏加速度作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理，采用微機(jī)械加工工藝制作的。此微流體傳感器由隔熱腔體、加熱器和兩對(duì)對(duì)稱的溫度傳感器構(gòu)成。加熱器和溫度傳感器懸在腔體上面。加熱器加熱使其周圍的氣體溫度升高，密度減小。在重力加速度的作用下，腔體內(nèi)的氣體發(fā)生對(duì)流。位于加熱器相等距離上的一對(duì)溫度傳感器用來測(cè)量加熱器兩邊的溫差。器件封裝在密封的隔熱管殼內(nèi)，防止外部氣流和溫度對(duì)器件的影響。敏感方向無哥氏加速度時(shí)，腔體內(nèi)的加熱氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生對(duì)流，如加熱器水平方向上兩邊相等位置上的溫度相等，兩對(duì)溫度傳感器的輸出相等。敏感方向上有哥氏加速度時(shí)，腔體內(nèi)的氣體在重力加速度和外加角速度的聯(lián)合作用下交替膨脹，加熱器水平兩邊相等位置上出現(xiàn)溫度差，兩對(duì)溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩對(duì)溫度傳感器采用熱敏電阻，可與外接的兩對(duì)參考電阻構(gòu)成電阻電橋，這樣通過電橋的輸出電壓信號(hào)變化便可以測(cè)量出外界輸入角速度的值。



1.2 射流微陀螺

射流氣體陀螺是利用強(qiáng)迫對(duì)流氣體的氣流束(層流)和敏感元件的熱阻效應(yīng)來測(cè)量角速率的。目前，采用MEMS技術(shù)制作的射流微陀螺并不多。報(bào)道的射流氣體微陀螺主要由壓電驅(qū)動(dòng)泵、循環(huán)氣流通道及腔室、微噴嘴和熱敏元件等組成。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無活動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量，抗過載能力強(qiáng)，成本低，壽命長(zhǎng)。它是在哥氏力定理基礎(chǔ)上發(fā)明出來的，它通過壓電泵驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)，當(dāng)陀螺有角速度信號(hào)輸入時(shí)，利用哥氏力使循環(huán)氣流束偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)角參數(shù)的測(cè)量。循環(huán)氣流是由壓電泵激勵(lì)而產(chǎn)生的氣體層流束(射流)，信號(hào)由兩根平行的熱敏絲R1，R2敏感。當(dāng)輸入角速度為∞時(shí)，由于哥氏力的作用，射流束偏離原來所在的射腔的中心位置(見圖2)，偏離的角度和方向決定于輸入角速度，這樣通過測(cè)量外圍電路電壓的變化便可測(cè)量出相應(yīng)的加速度值。



傳統(tǒng)陀螺是利用高速轉(zhuǎn)子的定軸性和進(jìn)動(dòng)性敏感角速度，而射流陀螺是利用氣流束在慣性力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)敏感角速度。由于氣體的質(zhì)量很小，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故壓電射流陀螺能承受高沖擊，并有壽命長(zhǎng)、成本低等其他陀螺不可媲美的優(yōu)點(diǎn)。壓電射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域，是測(cè)量和控制角速度、角加速度和角度等角參數(shù)的關(guān)鍵部件。它也是末制導(dǎo)炮彈和機(jī)器人姿態(tài)控制不可缺少的慣性器件。