专利名称：一种新型mems射流转子陀螺的制作方法
一种新型MEMS射流转子陀螺所属领域本发明提出一种新型的MEMS射流转子陀螺技术，属于惯性测量领域。
背景技术：
微机电系统(MEMQ是采用硅基半导体工艺来制作微型机械的一项使能性技术。 MEMS技术与陀螺技术的结合，产生了许多新原理的微陀螺。主要包括:MEMS振子陀螺 (Micromachined Coriolis Vibratory Gyroscope, MCVG)、MEMS 转子陀螺(Micromachined Coriolis Rotary Gyroscope, MCRG),以及 MEMS 射流陀螺(Micromachined Coriolis Fluidic Gyroscope, MCFG)等三种。这些微型化的陀螺由于具有体积小、质量轻、成本低、 功耗低、可靠性高等优点，广泛应用于汽车电子、消费电子、航空航天等领域，并成为当前惯性技术的一个重要发展方向。在这三种微陀螺中，MEMS振子陀螺基于一个高频线振动或角振动的振子，利用科氏效应所产生的运动耦合来检测输入角速率。这种振子陀螺的抗冲击能力教差，结构容易疲劳，且存在正交耦合误差等问题，使得MEMS振子陀螺仅定位于中低精度的应用。MEMS转子陀螺(MCRG)是一种能实现高精度、多轴惯性测量的新型MEMS陀螺。MCRG 包含一个悬浮的转子，转子悬浮可以通过静电悬浮或者磁悬浮来实现。其也是利用科氏效应实现同时对X、Y两个方向角速率的敏感与检测，并从原理上消除了 MEMS振子陀螺所固有的正交耦合误差，并且系统的过载能力、支承刚度、频带等均可由电路参数灵活设定，使其量程、标度因子和带宽等指标可在线设定。同时转子陀螺还可以敏感三个正交方向的线加速度，有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸和成本。转子陀螺的精度极限主要由其转子的转速决定，根据目前已有的静电悬浮的技术，其精度极限可以相对于振子陀螺提高1-2 个数量级。但转子陀螺在加工工艺上极难实现，并且电路控制极其复杂，因而使得该项技术目前在实际中还很难得到应用。MEMS射流陀螺的基本工作原理是将喷嘴喷出的连续平流气体冲击在一对热敏丝上，当沿垂直于气体的轴线上有角速度或输入时，气体会相对于壳体向侧面偏斜，引起热敏丝温度的变化，从而带来电阻值的变化，通过检测热敏丝电阻的变化，就可以确定角速度。 由于采用气体作为工作介质，因而该种射流陀螺的抗过载和抗冲击的性能很好，其承受过载的能力比一般陀螺高一个数量级。此外，射流陀螺的响应时间也比较快，约为50-80ms， 其寿命和可靠性也比一般陀螺高1-2个数量级，成本约为一般陀螺的1/3-1/2。申请号为 200410009349. 8的专利“射流角速度传感器及其制备方法”中，具有耐冲击和量程可调的特点，而具有气流单向流动的特点，但是其只能检测一个自由度的角速度，集成度较低。
发明内容
本发明的发明目的是基于MEMS振动式陀螺，MEMS转子陀螺和MEMS射流陀螺的优点和缺点，公开一种新型的MEMS射流转子陀螺。一般的射流陀螺都是采用气流的线速度来检测角速度，而本发明设计的MEMS射流转子陀螺采用的是利用旋转的气流来检测角速度和加速度。旋转的气流比线速度运动的气流更稳定，因此陀螺性能更稳定，而且利用了传统的转子式陀螺所具有的高精度的优势。本发明的技术方案是一种MEMS射流转子陀螺，依次包括上检测层36、腔体层35 和下检测层37 ；所述的腔体层35上有一贯穿的圆柱空腔，在所述圆柱空腔周向均布有多个振动腔；各振动腔均未贯通所述的腔体层35，未贯通部分分别形成相应的振动薄膜；所述圆柱空腔分别通过相应的喷口与相应的振动腔；所述各喷口径向错开；各振动薄膜下分别连有压电片；上检测层36位于腔体层35上方，使得腔体层35上的各振动腔均形成密闭空腔；下检测层37位于腔体层35下方，它和上检测层36 —起，使得腔体层35上的贯穿圆柱空腔形成密闭的检测腔1 ；下检测层37上有第五热敏电阻6、第六热敏电阻7、第七热敏电阻8、第八热敏电阻9，它们位于检测腔1的下底面，并且绕检测腔1轴线周向均布；上检测层36相应位置上有第一热敏电阻2、第二热敏电阻3、第三热敏电阻4、第四热敏电阻5 ；每个热敏电阻均由弧形热敏面32，铝连接线33和组成；弧形热敏面32将两条铝连接线33连接在一起，并和所述的电极；34构成一个回路。本发明的有益效果是本发明采用围绕检测腔环形一周的合成射流器交替喷出气体，使检测腔内产生气流转子。气流转子具有传统转子所具有的定轴性和进动性，当外界有角速度或加速度输入时，气流转子会敏感角速度和加速度而发生运动，热敏电阻通过检测气流转子的运动来测量外界输入的角速度和加速度。而且该MEMS射流转子陀螺可与微加工工艺兼容，并且可将检测腔和侧喷式合成射流器的振动腔体一次性加工出，无需复杂的微装配工艺，简化工艺流程，而且也保证了器件的精度。具体与现有技术中的MEMS振动式陀螺、MEMS转子陀螺、 MEMS射流陀螺相比来说具有的优势如下MEMS射流转子陀螺和现有技术中的MEMS振动式陀螺相比，优势在于1)从根本上消除了振动式微陀螺存在的正交耦合误差，通过提高气流转子转速可以获得较高的陀螺精度；2)可以同时检测3个自由度的角速率和三个正交方向的线加速度，有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸和成本。MEMS射流转子陀螺和现有技术中的MEMS转子陀螺相比，优势在于1)无需严格的真空度要求，无需复杂的加工工艺，因此成本低；幻抗过载和抗冲击的性能好，其承受过载的能力比MEMS转子高一个数量级；幻控制简单，不需要MEMS转子陀螺那样复杂的悬浮控制和平衡控制；4)不具有MEMS转子陀螺所具有的转子吸附失效现象；5)比转子陀螺多一个自由度的角速率的检测，集成度高。MEMS射流转子陀螺和现有技术中的MEMS射流陀螺相比，优势在于1)以气流转子代替了线速度的气流，具有传统转子陀螺所具有的高精度的潜力；2)MEMS射流转子陀螺可以同时检测3个自由度的角速率和三个正交方向的线加速度，集成度高，成本低。总之，MEMS射流转子陀螺继承了 MEMS转子陀螺和MEMS射流陀螺的优点，而摒弃了 MEMS振动式陀螺，MEMS转子陀螺和MEMS射流陀螺的缺点，因此具有很大的研究应用价值和广阔的发展前景。下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1 本发明实施例1中的双层检测式双射流MEMS射流转子陀螺的基本原理2 本发明实施例1中的双层检测式双射流MEMS射流转子陀螺主视3 本发明实施例1中的双层检测式双射流MEMS射流转子陀螺腔体层主视4 本发明实施例1中的双层检测式双射流MEMS射流转子陀螺腔体层俯视5 本发明实施例1中的上检测层热敏电阻分布6 本发明实施例1中的下检测层热敏电阻分布7:热敏电阻结构8 本发明实施例2中的双层检测式四射流MEMS射流转子陀螺的基本原理9 本发明实施例2中的双层检测式四射流MEMS射流转子陀螺腔体层俯视中，1-检测腔，2-第一热敏电阻，3-第二热敏电阻，4-第三热敏电阻，5-第四热敏电阻，6-第五热敏电阻，7-第六热敏电阻，8-第七热敏电阻，9-第八热敏电阻，14-第一喷口，15-第二喷口，16-第三喷口，17-第四喷口，19-第一压电片，20-第二压电片，23-第一振动薄膜，24-第二振动薄膜，28-第一振动腔，29-第二振动腔，30-第三振动腔，31-第四振动腔，32-弧形热敏面，33-铝连接线，34-电极，35-腔体层，36-上检测层，37-下检测层，实施例1参阅图1、图2、图3、图4，图5、图6，本实施例的MEMS射流转子陀螺依次包括上检测层36、腔体层35和下检测层37 ；所述的腔体层35上有一贯穿的圆柱空腔，在所述圆柱空腔两侧对称布有第一振动腔观和第二振动腔四；第一振动腔观和第二振动腔四未贯通所述的腔体层35，未贯通部分分别形成第一振动薄膜23和第二振动薄膜M ；所述圆柱空腔分别通过第一喷口 14、第二喷口 15与第一振动腔观、第二振动腔四连通；所述第一喷口 14 和第二喷口 15径向错开；第一振动薄膜23和第二振动薄膜M下分别连有第一压电片19 和第二压电片20 ；上检测层36位于腔体层35上方，使得腔体层35上的第一振动腔观和第二振动腔四形成密闭空腔；下检测层37位于腔体层35下方，它和上检测层36 —起，使得腔体层35上的贯穿圆柱空腔形成密闭的检测腔1 ；下检测层37上有第五热敏电阻6、第六热敏电阻7、第七热敏电阻8、第八热敏电阻9，它们位于检测腔1的下底面，并且绕检测腔1 轴线周向均布；上检测层36相应位置上有第一热敏电阻2、第二热敏电阻3、第三热敏电阻 4、第四热敏电阻5 ；参阅图7，每个热敏电阻均由弧形热敏面32，铝连接线33和组成；弧形热敏面32将两条铝连接线33连接在一起，并和所述的电极34构成一个回路。设计热敏电阻结构的时候，本实施例考虑了如何避免压阻效应对电阻温度效应的影响。器件工作时热敏电阻上有电流通过，随着热敏电阻上温度的升高，热敏电阻将相对地延长，因此将产生一个热应力，而掺杂硅存在压阻效应，因此电阻将发生变化，这将不利于器件的灵敏度的提高。因此，将热敏电阻设计为T型结构，这样，热敏电阻内部由温度产生的热应力能够完全释放掉。同时，考虑气流和热敏电阻之间作用力的问题，应以检测腔体的中心为中心，加工出四个弧形凸起热敏弧，使其沿着气流旋转的方向，这样可以降低气流的阻力，也可以降低气流对热敏弧的冲击力，保证热敏弧的可靠性。同时也可以增加热敏弧沿着弧向的刚度，避免由于气流的冲击力造成热敏弧的大变形而使其电阻发生变化，引起检测的误差。参阅图3、图4、图5、图6，工作时，第一压电片19和第二压电片20的激励电压的相位差为η，其带动第一振动薄膜23和第二振动薄膜对的振动也是反相的，因此第一振动腔观和第二振动腔四喷出的气流也是反相的。为了描述方便，将检测腔1的上半部分和下半部分分别称为检测腔第一侧、检测腔第二侧；将第五热敏电阻6和第一热敏电阻2、第六热敏电阻7和第二热敏电阻3，第七热敏电阻8和第三热敏电阻4、第八热敏电阻9和第四热敏电阻5所在的四个轴向扇区分别称为检测腔第三侧、检测腔第四侧、检测腔第五侧、检测腔第六侧；当第一振动腔观通过第一喷口 14对检测腔第三侧喷气时，第二振动腔四保持静止的状态；经历了 η的相位后，第二振动腔四通过第二喷口 15对检测腔第五侧开始喷气时，第一振动腔观通过第一喷口 14开始对检测腔第三侧吸气；经历了 2 π的相位后， 第一振动腔观开始喷气，第二振动腔四开始吸气，这就完成了一个喷气吸气的周期。通过第一振动腔观和第二振动腔四交替地喷出和吸入气流，就形成了气流转子，气流转子轴和检测腔体轴是重合的。当外界有角速度和加速度输入时，气流转子由于惯性而发生偏转，会引起不同位置处的热敏电阻冷却效果的不同，从而造成热敏电阻温度的不同，由于电阻温度效应，其电阻值也会随之变化，通过检测热敏电阻电阻值的变化，就可测得气流转子的偏转位移，由这个位移就可推得外界输入的角速度和加速度。实施例2参阅图8和图9，本实施例的MEMS射流转子陀螺依次包括上检测层、腔体层和下检测层；所述的腔体层上有一贯穿的圆柱空腔，在所述圆柱空腔四周依次周向均布有第一振动腔观、第二振动腔四、第三振动腔30和第四振动腔31 ；第一振动腔观、第二振动腔29、 第三振动腔30和第四振动腔31未贯通所述的腔体层35，未贯通部分分别形成第一振动薄膜、第二振动薄膜、第三振动薄膜和第四振动薄膜；所述圆柱空腔分别通过第一喷口 14、第二喷口 15、第三喷口 16、第四喷口 17与第一振动腔观、第二振动腔四、第三振动腔30和第四振动腔31连通；所述第一喷口 14、第二喷口 15、第三喷口 16和第四喷口 17径向错开； 第一振动薄膜、第二振动薄膜、第三振动薄膜和第四振动薄膜下分别连有第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片；上检测层位于腔体层上方，使得腔体层上的第一振动腔观、第二振动腔四、第三振动腔30和第四振动腔31形成密闭空腔；下检测层位于腔体层下方，它和上检测层一起，使得腔体层上的贯穿圆柱空腔形成密闭的检测腔1 ；下检测层上有第五热敏电阻、第六热敏电阻、第七热敏电阻、第八热敏电阻，它们位于检测腔1的下底面， 并且绕检测腔1轴线周向均布；上检测层位置相应的第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻、第四热敏电阻。参阅图10和图11，工作时，第一压电片、第二压电片、第三压电片和第四压电片的激励电压的相位差为η /2，其带动第一振动薄膜、第二振动薄膜、第三振动薄膜和第四振动薄膜的振动也相差η /2，因此第一振动腔观、第二振动腔四、第三振动腔30和第四振动腔 31喷出的气流也相差π/2。为了描述方便，将检测腔1的上半部分和下半部分分别称为检测腔第一侧、检测腔第二侧；将第五热敏电阻和第一热敏电阻、第六热敏电阻和第二热敏电阻，第七热敏电阻和第三热敏电阻4、第八热敏电阻9和第四热敏电阻5分别所在的四个轴向扇区分别称为检测腔第三侧、检测腔第四侧、检测腔第五侧、检测腔第六侧；当第一振动腔观开始喷气时，第二振动腔四、第三振动腔30和第四振动腔31还保持静止的状态；经历η /2的相位后，第四振动腔31开始喷气，第一振动腔观开始吸气，第二振动腔四和第三振动腔30处于静止的状态；经历π的相位后，第二振动腔四开始喷气，第一振动腔观开始吸气，第四振动腔31也开始吸气，第三振动腔30还处于静止的状态；经历3 π /2的相位后，第三振动腔30开始喷气，第一振动腔观又开始喷气，第四振动腔31开始吸气，第二振动腔四开始吸气 ’经历2 π的相位后，第一振动腔观继续开始喷气，第四振动腔31开始喷气，第二振动腔四继续吸气，第三振动腔30开始吸气。这就完成了一个喷气吸气的周期。通过第一振动腔观、第四振动腔31、第三振动腔30、第四振动腔31交替地喷出和吸入气流，就形成了气流转子。气流转子轴和检测腔体轴是重合的。当外界有角速度和加速度输入时，气流转子由于惯性而发生偏转，会引起不同位置处的热敏电阻冷却效果的不同，从而造成热敏电阻温度的不同，由于电阻温度效应，其电阻值也会随之变化，通过检测热敏电阻电阻值的变化，就可测得气流转子的偏转位移，由这个位移就可推得外界输入的角速度和加速度。
权利要求
1.一种MEMS射流转子陀螺，其特征在于依次包括上检测层(36)、腔体层(3 和下检测层(37)；所述的腔体层(35)上有一贯穿的圆柱空腔，在所述圆柱空腔周向均布有多个振动腔；各振动腔均未贯通所述的腔体层(35)，未贯通部分分别形成相应的振动薄膜；所述圆柱空腔分别通过相应的喷口与相应的振动腔；所述各喷口径向错开；各振动薄膜下分别连有压电片；上检测层(36)位于腔体层(3 上方，使得腔体层(3 上的各振动腔均形成密闭空腔；下检测层(37)位于腔体层(3 下方，它和上检测层(36) —起，使得腔体层(35) 上的贯穿圆柱空腔形成密闭的检测腔(1)；下检测层(37)上有第五热敏电阻(6)、第六热敏电阻(7)、第七热敏电阻(8)、第八热敏电阻(9)，它们位于检测腔(1)的下底面，并且绕检测腔(1)轴线周向均布；上检测层(36)相应位置上有第一热敏电阻O)、第二热敏电阻(3)、 第三热敏电阻G)、第四热敏电阻(5)。
2.一种如权利要求1所述的MEMS射流转子陀螺，其特征在于所述第一热敏电阻O)、 第二热敏电阻(3)、第三热敏电阻(4)、第四热敏电阻(5)、第五热敏电阻(6)、第六热敏电阻 (7)、第七热敏电阻(8)、第八热敏电阻(9)，每个热敏电阻均由弧形热敏面(32)，铝连接线 (33)和组成；弧形热敏面(32)将两条铝连接线(33)连接在一起，并和所述的电极(34)构成一个回路。
全文摘要
本发明公开了一种新型的MEMS射流转子陀螺技术，属于惯性测量领域。本发明采用围绕检测腔环形一周的合成射流器交替喷出气体，使检测腔内产生气流转子。气流转子具有传统转子所具有的定轴性和进动性，当外界有角速度或加速度输入时，气流转子会敏感角速度和加速度而发生运动，热敏电阻通过检测气流转子的运动来测量外界输入的角速度和加速度。而且该MEMS射流转子陀螺可与微加工工艺兼容，并且可将检测腔和侧喷式合成射流器的振动腔体一次性加工出，无需复杂的微装配工艺，简化工艺流程，而且也保证了器件的精度。继承了MEMS转子陀螺和MEMS射流陀螺的优点，而摒弃了MEMS振动式陀螺，MEMS转子陀螺和MEMS射流陀螺的缺点，具有很大的研究应用价值和广阔的发展前景。
文档编号G01C19/02GK102305625SQ201110189839
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者丁继亮, 常洪龙, 李小卿, 杨勇, 苑伟政, 谢中建 申请人:西北工业大学