微機械壓電射流陀螺的制作方法
【專利摘要】本發明微機械壓電射流陀螺，屬于通過微機械加工工藝制作的由壓電泵產生射流的陀螺儀。用于機器人、頭盔、攝像機等微型載體的穩定系統。本發明由敏感元件、底座、外殼、信號處理電路、絕緣子、墊片組成，電源和信號經底座上玻璃灌裝的絕緣子接線引出。敏感元件包括壓電陶瓷微泵、射流腔體和Pt薄膜熱敏電阻，它是由上下兩個硅板鍵合而成，在上硅板上有振膜、泵室、射流腔體和Pt薄膜熱敏電阻，下硅板具有與上硅板對稱的結構，但沒有Pt薄膜熱敏電阻，在下硅板的表面被電極，并與上硅板鍵合構成密閉的射流腔體。信號處理電路包括壓電泵驅動電路、電橋電路、放大電路、濾波電路和補償電路。
【專利說明】微機械壓電射流陀螺
【技術領域】
[0001] 本發明屬于運動體的角速度姿態測量【技術領域】，特別是屬于通過微機械加工工藝 制作的微機械壓電射流陀螺【技術領域】。用于機器人、頭盔、攝像機等微型載體的穩定系統。
【背景技術】
[0002] 壓電射流陀螺器件是一種具有陀螺功能而沒有傳統陀螺的轉動部分，也沒有壓電 陀螺懸掛部件的固態慣性器件。壓電射流陀螺以氣體作為敏感質量，其質量極小，其利用哥 氏力使循環氣流束偏轉來實現角參數的測量，具有成本低、響應時間短、抗沖擊能力強、壽 命長等優點。現有技術中的壓電射流陀螺一般由敏感器件的殼體、噴嘴體、敏感元件、壓電 泵、泵座、碟簧、鎖緊螺母和外部電路系統以及機械系統組成，這種壓電射流陀螺是利用傳 統機械加工工藝制作，體積不可能太小，不能用于頭盔、攝像機等微型載體姿態測量和控制 領域，因此制約了它的應用和發展。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術中存在的問題，本發明的目的是進一步減小壓電射流陀螺的體積， 提出一種體積小、結構簡單、抗高沖擊的微機械壓電射流陀螺，解決在機器人、頭盔、攝像機 等領域的應用。
[0004] 本發明微機械壓電射流陀螺由底座、外殼組裝成腔體、安裝腔體內的敏感元件、信 號處理電路組成，絕緣子用作電源和信號的引線，電源和信號經底座上玻璃灌裝的絕緣子 接線引出。敏感元件包括壓電陶瓷微泵、射流室和鉬（Pt)薄膜熱敏電阻，其特征是：
[0005] 敏感元件的各部件采用微機械制作工藝成型在硅板內，敏感元件包括有振膜、泵 室、氣體進口、集流槽、射流噴嘴、射流室、氣體出口和鉬（Pt)薄膜熱敏電阻，振膜制作在硅 板邊緣，振膜上被覆金屬膜電極，振膜以下為泵室，位于泵室近兩端處有兩個進口，進口的 剖面為倒梯形，兩個進口下游是兩個剖面為矩形的氣體饋送口，將氣體饋送給集流槽，集流 槽的深度比其他凹槽深，射流室剖面為矩形，位于硅片中部，射流室與集流槽之間有縮頸噴 嘴，射流室的另一端有氣體回流泵室的出口，出口位于兩進口中間，出口剖面為正梯形；
[0006] 鉬（Pt)薄膜熱敏電阻位于射流室頂部，由3丨、5丨02和金屬鉬（Pt)構成的三明治結 構，硅板內有金屬膜電極，作為熱敏電阻的輸出級；壓電陶瓷微泵采用壓電陶瓷雙晶片，在 晶片上下兩個圓平面被覆金屬膜電極，晶片被覆電極后粘接在振膜有金屬被電極的一側， 構成壓電陶瓷微泵。
[0007] 所述陀螺內的氣體可在由腔體和敏感元件組成的密閉空間內循環，所述敏感元件 的中心與所述進氣口的中心均位于所述腔體的中心線上；所述氣體在所述壓電泵的作用下 形成氣體射流束，氣體射流束經過進氣口噴射到敏感元件上，在通過所述出氣口進入到氣 體循環通道中返回，氣體射流束噴射到敏感元件上的位置會隨外部角速度的改變而發生偏 移，進而導致敏感元件上兩個相對設置的熱敏電阻的電阻值發生改變，經由信號處理電路 處理后可根據熱敏電阻的電阻相對變化值得出角速度值。
[0008] 進一步，所述敏感元件的各部件采用微機械制作工藝成型在硅板上，敏感元件包 括有振膜、泵室、氣體進口、集流槽、射流噴嘴、射流室、氣體出口和鉬（Pt)薄膜熱敏電阻。
[0009] 進一步，所述陀螺體積和功耗是現有技術的1 / 100。
[0010] 進一步，所述集流槽的截面面積是氣體饋送口的2倍。
[0011] 進一步，所述壓電陶瓷微泵氣路采用動態無閥被動泵，利用氣體阻力代替單向閥 的作用，實現氣體的定向流動。
[0012] 進一步，所述噴嘴和射流室、噴嘴與集流室相接處的截面為梯形過渡。
[0013] 進一步，所述進氣噴嘴沿氣流方向直徑漸短的縮口。
[0014] 進一步，所述出氣口沿氣流方向直徑漸短的縮口。
[0015] 本發明中微機械壓電射流陀螺具有下列優點：
[0016] (1)陀螺以氣體作為敏感質量，具有較高的抗沖擊、強振動能力。
[0017] (2)該陀螺體積和功耗是現有技術的1 / 100,應用領域廣闊。
[0018] (3)采用無閥門的動態壓電泵，具有驅動能力大，響應快，可靠性高的特點。
[0019] (4)該陀螺結構簡單、成本低，易于加工，適合于大批量生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明微機械壓電射流陀螺結構示意圖；
[0021] 圖2a為上硅板微機械壓電射流陀螺敏感元件剖視圖；
[0022] 圖2b為下硅板微機械壓電射流陀螺敏感元件剖視圖；
[0023] 圖3為微機械壓電射流陀螺氣體流通圖；
[0024] 圖4為信號處理電路；
[0025] 圖5為微機械壓電射流陀螺檢測電橋示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 微機械壓電射流陀螺敏感角速度的前提是氣體在敏感元件內循環。氣體能否循環 主要取決于壓電泵的射流室的結構和驅動能力。下面結合附圖和具體實施例對本發明作進 一步說明。
[0027] 本發明微機械壓電射流陀螺由敏感元件1、底座2、外殼3、信號處理電路4、絕緣子 5、墊片6組成，電源和信號經底座2上玻璃灌裝的絕緣子5接線引出（如圖1所示），敏感 元件1包括壓電陶瓷微泵7、射流氣路和薄膜熱敏電阻8a、8b，其特征是：
[0028] 敏感元件1的各部件采用微機械制作工藝成型在硅板內，其硅板由上下兩個硅板 9a、9b組成，在上硅板9a上制作振膜10、射流氣路和薄膜熱敏電阻8a、8b(見圖2a);射流 氣路包括泵室11、氣體進口 12a、12b、氣體饋送口 13a、13b、集流槽14a、14b、射流噴嘴15、 射流室16、氣體出口 17 ;在振膜10外側被覆金屬膜電極18,振膜10以下為泵室11，氣體進 口 12a、12b位于泵室11近兩端處，進口 12a、12b的剖面為倒梯形；兩個進口 12a、12b下游 是兩個剖面為矩形的氣體饋送口 13a、13b，將氣體饋送給集流槽14a、14b;集流槽14a、14b 的深度比其他凹槽深，其截面面積是氣體饋送口 13a、13b的2倍；射流室16剖面為矩形位 于上硅板9a中部，射流室16的一端有縮頸的射流噴嘴15,另一端有氣體回流泵室11的出 口 17,集流槽14a、14b的氣流在氣路頂端匯聚經縮頸的射流噴嘴15射入射流室16,噴嘴14 與集流槽14a、14b相接處的剖面為喇叭形縮頸過渡；出口 17位于兩進口 12a、12b中間，出 口 17剖面為正梯形；薄膜熱敏電阻8a、8b位于射流室16的出口 17端，由Si、SiO2和金屬 鉬（Pt)構成的三明治結構；在與薄膜熱敏電阻8a、8b相連的出口 17兩側被覆金屬膜電極 19a、19b和金屬膜電極20a、20b;在上硅板9a上制作的振膜10、泵室11、氣體進口 12a、12b、 氣體饋送口 13a、13b、集流槽14a、14b、射流噴嘴15、射流室16、氣體出口 17只是氣路部件 的半個凹槽；氣路部件的另半個凹槽在下硅板8b上制作（見圖2b)，但結構中沒有薄膜熱 敏電阻8a、8b，每個部件位置與上硅板9a鏡像對稱，下硅板9b的氣體饋送口 13a、13b相對 應部分不刻蝕凹槽，上下硅板9a、9b的邊框21表面分段被覆金屬膜電極，氣體饋送口 13a、 13b相對應部分不刻蝕凹槽部分也被覆金屬膜電極，使每段分別與金屬膜電極19a、19b和 金屬膜電極20a、20b在上下娃板9a、9b鍵合后電氣上相通，金屬膜電極19a、19b和金屬膜 電極20a、20b作為熱敏電阻8a、8b的輸出接線端；將半成品的上下兩個娃板9a、9b鍵合后 得到密封的、完整的氣路，并包括有振膜10和薄膜熱敏電阻8a、8b;
[0029] 壓電陶瓷微泵7采用壓電陶瓷雙晶片22驅動，在晶片22上下兩個圓平面被覆金 屬膜電極23,晶片22被覆電極23后粘接在振膜10有被覆金屬膜電極18的一側（見圖 2a)，構成壓電陶瓷微泵7。
[0030] 信號處理電路（見圖4)包括壓電泵驅動電路24、電橋電路25、放大電路26、濾波 電路27、補償電路28,如圖4所示。信號處理電路4電源采用正負級穩壓直流電源，其電壓 值要根據薄膜熱敏電阻8a、8b的阻值、單片機供電電壓和實用信號大小而定。
[0031] 由于壓電陶瓷微泵7工作時振膜10在壓電陶瓷雙晶片22驅動下振動，壓電陶瓷 微泵7向射流氣路是脈動供氣，射流噴嘴15在氣流實際噴射中是隨振膜10的振動而脈動， 射流噴嘴15噴出的射流脈動幅度越小越好，供氣路中貯氣占有量越大，射流噴嘴15噴出的 射流脈動幅度越小。為此，集流槽14a、14b的深度比其他凹槽深，其截面面積是氣體饋送口 13a、13b的二倍，目的是盡量增大集流槽14a、14b貯氣占有量，以便獲得好的射流質量。
[0032] -般的微泵都具有單向閥門，其制作工藝復雜而且易損壞，壽命短，因此可靠性不 高。本實施例微機械壓電射流陀螺的壓電陶瓷微泵7氣路采用動態無閥被動泵，這種動態 無閥被動泵沒有閥門，是將氣體進口 12a、12b通道截面作成倒梯形，氣體出口 17通道作成 正梯形，倒梯形的氣體進口 12a、12b在相同壓力變化條件下進氣速率大于回氣速率，同理 正梯形的氣體出口 17出氣速率大于回氣速率，利用這種氣體阻力代替單向閥的作用，實現 氣體的定型流動。它具有驅動能力大，響應快，可靠性高的特點。
[0033] 為了減少了因棱角阻礙和氣流束面積突然變化而形成的渦流區，減少額外能量 損失，使射流容易產生循環，保持氣流速度的穩定，噴嘴14與射流室16、噴嘴14與集流槽 14a、14b相接處的截面為梯形過渡。
[0034] 本實施例微機械壓電射流陀螺敏感元件的制作均采用成熟的微機械加工工藝，敏 感元件的制作工藝簡單，其制作工藝如下：
[0035] 制備上硅板9a
[0036] (1)在N型（100)硅襯底上熱氧化生長二氧化硅作為絕緣層。
[0037] (2)真空蒸鍍法淀積鉬（Pt)薄膜。
[0038] (3)光刻出兩條鉬（Pt)薄膜熱敏電阻的形狀。
[0039] (4)以光刻膠為掩膜刻蝕鉬（Pt)。
[0040] (5)鉬（Pt)為掩膜刻蝕二氧化硅。
[0041] (6)采用各向異性腐蝕液腐蝕單晶硅得到振膜10、泵室11、氣體進口 12a、12b、集 流槽14a、14b、射流噴嘴15、射流室16、氣體出口 17和鉬（Pt)薄膜熱敏電阻8a、8b結構，形 成上娃板9a。
[0042] (7)以機械掩膜濺射振膜10外側的被覆金屬膜電極18、出口 17兩側的被覆金屬 膜電極19,電極選材或鋁或金。
[0043] 制備下硅板9b
[0044] (8)采用各向異性腐蝕液腐蝕單晶硅得到下硅板，并濺射電極。
[0045] 上硅板9a和下硅板9b鍵合
[0046] (9)上硅板9a與下硅板9b鍵合采用鍵合機進行Si-Si鍵合，形成密閉射流室。
[0047] (10)上娃板9a與下娃板9b鍵合后，在振膜10 -側溉射電極，并將被好的壓電陶 瓷雙晶片22粘接在振膜10上，形成壓電陶瓷微泵7。
[0048] 微機械壓電射流陀螺的體積可做到20X18X12(mm3)，測量范圍為120° /S，分辨 率為優于0.0Γ/S，響應時間優于20MS，非線性度優于1%。
[0049] 本實施例微機械壓電射流陀螺的工作過程（見圖3)。
[0050] 敏感元件1的射流29由壓電陶瓷微泵7驅動產生，壓電陶瓷雙晶片片22在外加 交變激勵電壓驅動下作鼓形振動，當振膜10向內壓迫時，泵室11收縮，泵室11內的氣體經 氣體進口 12a、12b經氣體饋送口 13a、13b進入集流槽14a、14b，經出口 17進入射流室16， 當振膜10向外運動時，泵室11擴張，集流槽14a、14b內的氣體經氣體饋送口 13a、13b、氣 體進口 12a、12b回流泵室11，射流室16的氣體也經出口 17回流泵室11。由于動態被動閥 (即氣體進口 12a、12b的結構為倒梯形、出口 17的結構為正梯形）的微擴散作用，流經氣 體進口 12a、12b的流量大于回流的流量；同理，射流室16的氣體經氣體出口 17的流回泵室 11的量大于回流的流量。這種不平衡的氣體流動促成了射流氣路中的氣體循環流動，這時 氣體表現為從由泵室11進口 12a、12b進入，由出口 17的流回泵室11。隨著壓電陶瓷微泵 7的振膜10周期性振動，氣體不斷地從氣體饋送口 13a、13b送入集流槽14a、14b，又不斷的 從射流室排出到泵腔，從而形成一穩定的連續射流束。
[0051] 射流噴嘴15產生射流束29,在射流室16內射向一對鉬（Pt)薄膜熱敏電阻8a、8b。 一旦有角速度信號輸入，原來從鉬（Pt)薄膜熱敏電阻薄膜熱敏電阻8a、8b對稱中心通過的 射流束在哥氏力的作用下就會向某一方向偏離，造成一對鉬（Pt)薄膜熱敏電阻薄膜熱敏 電阻8a、8b不同的冷卻，從而由電橋電路25檢測偏離量的電信號，得到與角速度成正比的 電信號，如圖5所不。
[0052] 當輸入角速度為Oi時，由于哥氏加速度的作用，射流束偏離中心位置，并作用到 鉬（Pt)薄膜熱敏電阻8a、8b上。如圖4所示，熱敏電阻8a、8b因受射流29冷卻而發生電 阻變化，使電橋失去平衡，輸出正比于角速度的電信號Vtl。射流29偏離的量值和方向決定 于外加的角速度矢量。若偏離量為Y，則哥氏加速度為：
[0053] 7 =2ω?Υ]( 1 )
[0054] 從上式可得，射流29穿過熱敏電阻8a、8b時由于哥氏力作用而產生的射流29偏 移速度和偏離量分別為
[0055]
【權利要求】
1. 一種微機械壓電射流陀螺，其特征為該陀螺由底座、外殼組裝成腔體、安裝腔體內的 敏感元件、信號處理電路組成，絕緣子用作電源和信號的引線，電源和信號經底座上玻璃灌 裝的絕緣子接線引出。敏感元件包括壓電陶瓷微泵、射流室和鉬（Pt)薄膜熱敏電阻。
2. 根據權利要求1所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：所述敏感元件的各部件 采用微機械制作工藝成型在硅板內，敏感元件包括有振膜、泵室、氣體進口、集流槽、射流噴 嘴、射流室、氣體出口和鉬（Pt)薄膜熱敏電阻，振膜制作在硅板邊緣，振膜上被覆金屬膜電 極，振膜以下為泵室，位于泵室近兩端處有兩個進口，進口的剖面為倒梯形，兩個進口下游 是兩個剖面為矩形的氣體饋送口，將氣體饋送給集流槽，集流槽的深度比其他凹槽深，射流 室剖面為矩形，位于硅片中部，射流室與集流槽之間有縮頸噴嘴，射流室的另一端有氣體回 流泵室的出口，出口位于兩進口中間，出口剖面為正梯形；鉬（Pt)薄膜熱敏電阻位于射流 室頂部，由314102和金屬鉬（Pt)構成的三明治結構，硅板內有金屬電極，作為熱敏電阻的 輸出極；壓電陶瓷微泵采用壓電陶瓷雙晶片，在晶片上下兩個圓平面被覆金屬膜電極，晶片 被覆電極后粘接在振膜有金屬被電極的一側，構成壓電陶瓷微泵。
3. 根據權利要求1所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：所述陀螺體積和功耗是 現有技術的1 / 100。
4. 根據權利要求2所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：集流槽的截面面積是氣 體饋送口的2倍。
5. 根據權利要求2所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：壓電陶瓷微泵氣路采用 動態無閥被動泵，這種動態無閥被動泵沒有閥門，是將氣體進口通道截面作成倒梯形，氣體 出口通道作成正梯形，倒梯形的氣體進口在相同壓力變化條件下進氣速率大于回氣速率， 正梯形的氣體出口出氣速率大于回氣速率。利用這種氣體阻力代替單向閥的作用，實現氣 體的定向流動。
6. 根據權利要求1-5任一所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：為了減少因棱角 阻礙和氣流束面積突然變化而形成的渦流區，減少了額外能量損失，使射流容易產生循環， 保持氣流速度的穩定，噴嘴和射流室、噴嘴與集流室相接處的截面為梯形過渡。
7. 根據權利要求1-6任一所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：所述進氣。
8. 噴嘴沿氣流方向直徑漸短的縮口。
9. 根據權利要求1-6任一所述的微機械壓電射流陀螺，其特征在于：所述出氣口沿氣 流方向直徑漸短的縮口。
【文檔編號】G01C19/58GK104457727SQ201310413653
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】樸林華, 陳敬波 申請人:北京信息科技大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
