MEMS流體陀螺基本原理及應用前景

引 言

MEMS技術的發展使得慣性技術領域正在經歷一場深刻的變化。慣性傳感器是利用物體的慣性性質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航系統如航空航天和航海事業中發揮著越來越重要的作用。除了傳統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、超導陀螺等，這些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的優勢，下面就流體陀螺的研究和發展應用前景進行介紹。

1 各種流體陀螺簡介

流體類陀螺儀與傳統陀螺儀相比，由於沒有懸掛質量塊，結構大大簡化，製作難度降低，更重要的是，省去了複雜的活動部件，其抗衝擊、抗振動能力大大提高，特別適合在高衝擊、高振動環境下使用。

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生角動量，流體作為常規的轉子，形成測量外界角速度的角動量，當外界有角速度輸入時，利用轉動流體與殼體的相對運動來產生敏感變化的輸出信號。另一種則是利用流體系統的科氏加速度來產生敏感變化的輸出信號。

1.1 氣體對流陀螺

圖1是由清華大學設計、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生偏轉的原理，採用微機械加工工藝製作的。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，腔體內的氣體發生對流。位於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，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，腔體內的加熱氣體只在重力加速度的作用下發生對流，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，腔體內的氣體在重力加速度和外加角速度的聯合作用下交替膨脹，加熱器水平兩邊相等位置上出現溫度差，兩對溫度傳感器的輸出就產生差異。若兩對溫度傳感器採用熱敏電阻，可與外接的兩對參考電阻構成電阻電橋，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來測量角速率的。目前，採用MEMS技術製作的射流微陀螺並不多。報導的射流氣體微陀螺主要由壓電驅動泵、循環氣流通道及腔室、微噴嘴和熱敏元件等組成。它結構簡單，無活動檢測質量，抗過載能力強，成本低，壽命長。它是在哥氏力定理基礎上發明出來的，它通過壓電泵驅動氣體循環，當陀螺有角速度信號輸入時，利用哥氏力使循環氣流束偏轉來實現角參數的測量。循環氣流是由壓電泵激勵而產生的氣體層流束(射流)，信號由兩根平行的熱敏絲R1，R2敏感。當輸入角速度為∞時，由於哥氏力的作用，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於輸入角速度，這樣通過測量外圍電路電壓的變化便可測量出相應的加速度值。



傳統陀螺是利用高速轉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生偏轉敏感角速度。由於氣體的質量很小，沒有轉動部件，故壓電射流陀螺能承受高衝擊，並有壽命長、成本低等其他陀螺不可媲美的優點。壓電射流陀螺可用於飛彈、飛機、艦船、工業自動化和機器人等技術領域，是測量和控制角速度、角加速度和角度等角參數的關鍵部件。它也是末制導炮彈和機器人姿態控制不可缺少的慣性器件。