MEMS流体陀螺的研究进展
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摘 要:随着微机电技术(mems)的快速发展,惯性器件微陀螺得到了广泛的发展和应用,其中微流体陀螺具有体积小、重量轻、成本低和抗高冲击等独特优点。根据陀螺原理的不同介绍了几种微流体陀螺,包括气体对流微陀螺、射流微陀螺、ECF流体微陀螺和超流体陀螺,气体对流陀螺和射流微陀螺属于常用的典型流体陀螺,而ECF流体陀螺和超流体陀螺属于新型的流体陀螺,分别分析了它们的原理和应用情况,并对它们的应用前景进行了展望,微流体陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用。
关键词:MEMS技术; 惯性器件; 微流体陀螺; 惯性导航
中图分类号:V241.6 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)10-0172-03
Research Progress of MEMS Fluid Gyroscope
QIN Kui, ZHANG Wei-ping, CHEN Wen-yuan
(National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology, Key Laboratory for Thin Film and Microfabrication of Ministry of Education,
Institute of Micro and Nano Science and Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)
Abstract:micro-gyroscope inertial devices have a wide range of development and application, with the rapid development of technology of micro electro mechanical systems, in which micro-fluid gyroscope with small size, light weight, low cost, high impact resistance and other unique advantages. According to the different principles, several typical micro-fluid gyroscope are introduced, including gas convection micro-gyroscope, jet micro-gyroscope, ECF micro-fluid and super-fluid gyroscope, in which gas convection micro-gyroscope and jet micro-gyroscope are common type fluid gyroscope and ECF micro-fluid and super-fluid gyroscope are new type fluid gyroscope. The theory, application and application prospect are analysed. Micro-fluid gyroscope will play a more and more important role in the areas of inertial navigation, automatic control and some others.
Keywords:MEMS technology; inertial devices; micro-fluid gyroscope; inertial navigation
0 引 言
MEMS技术的发展使得惯性技术领域正在经历┮怀―深刻的变化。惯性传感器[1-2]是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器,包括加速度计和陀螺。人们早就利用它们进行轮船、飞机和航天器的导航,近些年来人们又把这项技术用于汽车的控制、自动驾驶和导弹的制导等领域。但是传统的惯性传感器由于体积大、重量重、成本高等原因,极大地限制了它们的应用。在这种背景下,以微电子机械系统为基础的微机械惯性传感器逐渐发展起来,其中微陀螺在惯性导航系统如航空航天和航海事业中发挥着越来越重要的作用。除了传统的机械式振动陀螺外,各种新型陀螺也层出不穷,如静电支撑陀螺、磁支撑陀螺、微流体陀螺、超导陀螺等,这些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的优势,下面就流体陀螺的研究和发展应用前景进行介绍。
1 各种流体陀螺简介
流体类陀螺仪与传统陀螺仪相比,由于没有悬挂质量块,结构大大简化,制作难度降低,更重要的是,省去了复杂的活动部件,其抗冲击、抗振动能力大大提高,特别适合在高冲击、高振动环境下使用[1]。
流体陀螺[3]的基本原理主要有两种:一种是在外界的控制下流体本身产生角动量,流体作为常规的转子,形成测量外界角速度的角动量,当外界有角速度输入时,利用转动流体与壳体的相对运动来产生敏感变化的输出信号。另一种则是利用流体系统的科氏加速度来产生敏感变化的输出信号。
1.1 气体对流陀螺[1,4]
图1是由清华大学设计、中国电子集团第13研究所加工而成的微流体陀螺仪。它是利用气体流速方向在哥氏加速度作用下发生偏转的原理,采用微机械加工工艺制作的。此微流体传感器由隔热腔体、加热器和两对对称的温度传感器构成。加热器和温度传感器悬在腔体上面。加热器加热使其周围的气体温度升高,密度减小。在重力加速度的作用下,腔体内的气体发生对流。位于加热器相等距离上的一对温度传感器用来测量加热器两边的温差。器件封装在密封的隔热管壳内,防止外部气流和温度对器件的影响。敏感方向无哥氏加速度时,腔体内的加热气体只在重力加速度的作用下发生对流,如加热器水平方向上两边相等位置上的温度相等,两对温度传感器的输出相等。敏感方向上有哥氏加速度时,腔体内的气体在重力加速度和外加角速度的联合作用下交替膨胀,加热器水平两边相等位置上出现温度差,两对温度传感器的输出就产生差异。若两对温度传感器采用热敏电阻,可与外接的两对参考电阻构成电阻电桥,这样通过电桥的输出电压信号变化便可以测量出外界输入角速度的值。
图1 科氏力流体陀螺
1.2 射流微陀螺[5-6]
射流气体陀螺是利用强迫对流气体的气流束(层流)和敏感元件的热阻效应来测量角速率的。目前,采用MEMS技术制作的射流微陀螺并不多。报道的射流气体微陀螺主要由压电驱动泵、循环气流通道及腔室、微喷嘴和热敏元件等组成。它结构简单,无活动检测质量,抗过载能力强,成本低,寿命长。它是在哥氏力定理基础上发明出来的,它通过压电泵驱动气体循环,当陀螺有角速度信号输入时,利用哥氏力使循环气流束偏转来实现角参数的测量。循环气流是由压电泵激励而产生的气体层流束(射流),信号由两根平行的热敏丝R1,R2敏感。当输入角速度为ω时,由于哥氏力的作用,射流束偏离原来所在的射腔的中心位置(见图2)[1],偏离的角度和方向决定于输入角速度,这样通过测量电路电压的变化便可测量出相应的加速度值。