MEMS流體陀螺研究

引  言

MEMS技術(shù)的發(fā)展使得慣性技術(shù)領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場深刻的變化。慣性傳感器是利用物體的慣性性質(zhì)來測量物體運動情況的一類傳感器，包括加速度計和陀螺。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)的機械式振動陀螺外，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，下面就流體陀螺的研究和發(fā)展應(yīng)用前景進行介紹。

1  各種流體陀螺簡介

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)大大簡化，制作難度降低，更重要的是，省去了復(fù)雜的活動部件，其抗沖擊、抗振動能力大大提高，特別適合在高沖擊、高振動環(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)生角動量，流體作為常規(guī)的轉(zhuǎn)子，形成測量外界角速度的角動量，當(dāng)外界有角速度輸入時，利用轉(zhuǎn)動流體與殼體的相對運動來產(chǎn)生敏感變化的輸出信號。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。

1.1  氣體對流陀螺

圖1是由清華大學(xué)設(shè)計、中國電子集團第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、加熱器和兩對對稱的溫度傳感器構(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)生對流。位于加熱器相等距離上的一對溫度傳感器用來測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器件的影響。敏感方向無哥氏加速度時，腔體內(nèi)的加熱氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生對流，如加熱器水平方向上兩邊相等位置上的溫度相等，兩對溫度傳感器的輸出相等。敏感方向上有哥氏加速度時，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，兩對溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩對溫度傳感器采用熱敏電阻，可與外接的兩對參考電阻構(gòu)成電阻電橋，這樣通過電橋的輸出電壓信號變化便可以測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迫對流氣體的氣流束(層流)和敏感元件的熱阻效應(yīng)來測量角速率的。目前，采用MEMS技術(shù)制作的射流微陀螺并不多。報道的射流氣體微陀螺主要由壓電驅(qū)動泵、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)簡單，無活動檢測質(zhì)量，抗過載能力強，成本低，壽命長。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)動氣體循環(huán)，當(dāng)陀螺有角速度信號輸入時，利用哥氏力使循環(huán)氣流束偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)角參數(shù)的測量。循環(huán)氣流是由壓電泵激勵而產(chǎn)生的氣體層流束(射流)，信號由兩根平行的熱敏絲R1，R2敏感。當(dāng)輸入角速度為∞時，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，這樣通過測量外圍電路電壓的變化便可測量出相應(yīng)的加速度值。



傳統(tǒng)陀螺是利用高速轉(zhuǎn)子的定軸性和進動性敏感角速度，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)動部件，故壓電射流陀螺能承受高沖擊，并有壽命長、成本低等其他陀螺不可媲美的優(yōu)點。壓電射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機、艦船、工業(yè)自動化和機器人等技術(shù)領(lǐng)域，是測量和控制角速度、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)炮彈和機器人姿態(tài)控制不可缺少的慣性器件。

1.3  ECF流體陀螺

ECF(electro-conjugate fluid)流體是一種新型的流體材料，當(dāng)在流體兩端的電極上加上幾千伏的電壓時，ECF流體可以產(chǎn)生很強的流動，利用ECF流體的這種特性可以制作基于ECF的流體陀螺。由日本東京工業(yè)大學(xué)制作的這種流體陀螺如圖3所示，其基本原理如下：在容器內(nèi)部充滿ECF液體，當(dāng)在如圖3所示的電極上加上上千伏的電壓時，便會產(chǎn)生很強的ECF液體沖擊流，并往圖3(a)所示方向流動。當(dāng)給陀螺如圖3(b)所示以順時針方向旋轉(zhuǎn)的角速度時，ECF的流動便向左邊偏移，左右流體的流動變化使得頂部的熱阻阻值發(fā)生變化，進而可以檢測出外部的電壓值的變化，通過測量外部電壓的變化便可以測量出外界輸入角速度的值。



ECF流體所具有的特性為流體陀螺的研究開拓了新的途徑，但是ECF流體陀螺所用的高電壓卻可能限制它的應(yīng)用場合，設(shè)法尋找新的ECF材料或采取其它途徑來降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴大應(yīng)用場合的關(guān)鍵。

1.4  超流體陀螺

對于超流體陀螺(super fluid gyroscope)的研究是基于一種低溫物理效應(yīng)一超流體開展的。采用超流體的陀螺。其工作原理設(shè)計、可行性驗證以及精度等級的確定等方面都需要進行大量探索性的理論研究和實驗分析。但因為超流體獨特的物理特性對于保持慣性有著良好的潛力，研究者們正在積極開展相關(guān)工作，發(fā)展基于超流體的慣性陀螺儀。由于超流體流動基本上可以認(rèn)為沒有阻力，當(dāng)承載容器與其發(fā)生切向運動時，超流體不會像通常的流體一樣由于液體的粘性力發(fā)生隨動，而是保持原來的狀態(tài)。也就是說低阻使之對于轉(zhuǎn)動可能呈現(xiàn)出非常良好的慣性。這樣超流體與承載容器間就出現(xiàn)了相對流動，檢測這個運動速度或它的某種放大量就可以獲得轉(zhuǎn)動速度的信息。

由于超流體的粘滯系數(shù)很低，流體間以及流體對周圍運動的阻尼很小，具有很好的慣性，而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對陀螺的要求正是需要其保持良好的慣性系。利用超流體效應(yīng)檢測角速度，在原理上具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陀螺的性能潛力，適用于各類需要高精度陀螺的場合。不過，由于該方向的研究剛剛展開，不成熟的環(huán)節(jié)還較多，如何將原理與實際的應(yīng)用相結(jié)合，探尋更有效的高精度方案，完善配套技術(shù)以降低制造成本、縮小體積重量都是有待進一步研究的問題。

2  結(jié)  語

本文根據(jù)微流體陀螺的不同原理介紹了幾種常見的MEMS微流體陀螺，并對它們的基本原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用前景進行了簡單的介紹，這幾種MEMS微流體陀螺都具有體積小、重量輕、成本低和抗高沖擊等獨特優(yōu)點，使得它們都較適合應(yīng)用在慣性導(dǎo)航、自動控制等相關(guān)領(lǐng)域，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著微機電技術(shù)的發(fā)展和新型材料的應(yīng)用，流體陀螺的種類將進一步多樣化，微流體陀螺將在慣性導(dǎo)航和自動控制等方面發(fā)揮越來越重要的作用。