一种微型四通道循环流式三轴硅射流陀螺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于利用哥氏力偏转射流敏感体检测运动体角速度姿态参数的技术领域， 尤其是涉及一种微型四通道循环流式三轴硅射流陀螺。
【背景技术】
[0002] 目前，以微机械振动陀螺为代表的微型陀螺，敏感元件是由不同结构的振动部件 构成，不仅在稍高加速冲击下容易断裂或损坏，而且在制作过程中为了减少阻尼需要真空 封装使得其工艺复杂，造成长时间工作时会产生疲劳损坏。相比之下，射流陀螺不需要振动 部件，结构简单，有能承受高过载、寿命长和成本低等其它陀螺难以媲美的优点，其应用范 围更广泛。中国专利89105999. 7提出的高灵敏度压电射流角速度传感器（射流陀螺的一 种），它由敏感器件的壳体、喷嘴体、敏感元件、压电栗、栗座、碟簧、锁紧螺母和外部电路系 统以及机械系统组成，这种一维角速度传感器的敏感元件是用铜、铝或不锈钢等材料利用 传统机械加工制作，敏感元件体积大，功率高，不能用于微型载体姿态测量和控制领域，它 的热线是手工焊接，很难保证热线的平行度和垂直度，因此交叉耦合大，一致性差，很难批 量生产，成本高。在现有技术中用硅片制作射流网络通常采用MEMS工艺在一个硅圆片的表 面腐蚀出气流通道，由于硅片的厚度只有500 μ m左右，因此射流网络深度一定小于硅片的 厚度，因此射流网络的尺度很小，气体容量小，与热线的热交换少，陀螺灵敏度会很小，无法 实用化。在现有技术中在硅圆片上实现压电栗驱动气体流动通常将压电栗振子有效变形面 积与气流通道的截面积相对应，以便使压电栗振子的变形方向（振动方向）沿着硅圆片横 向方向（与硅圆片表面垂直的截面积方向）与气流通道的长度方向一致，因此压电栗振子 的大小往往小于IX 1mm，这在实际工艺中很难实现粘接，同时由于压电栗振子尺寸过小，驱 动气体的能力弱，气流速度小，陀螺灵敏度小。在现有技术中采用MEMS工艺在硅片上很难 实现三维热线（热敏电阻）的制作，同时也很难形成三维射流敏感体，因此一个微型射流陀 螺不能同时敏感三个方向的角速度，只能敏感一个方向上的角速度，如构成多自由度测量 需要组合安装，由安装距离引起的误差大，成本也高。
[0003] 因此，如何克服上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。
【发明内容】
[0004] 针对【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微型四通道循环流式三 轴硅射流陀螺，该射流陀螺用一个压电陶瓷圆振子驱动四通道循环流，不仅结构简单，寿命 长，功耗低，同时实现了压电陶瓷圆振子变形方向和射流网络平面的转向，压电陶瓷圆振 子的面积大，驱动能力强，射流速度大，射流陀螺的灵敏度高；且能同时敏感三个正交方向 (X、Y、Z)角速度，多轴一体。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] -种微型四通道循环流式三轴硅射流陀螺，所述射流陀螺包括四通道循环流式三 轴角速度敏感元件和PCB电路板，所述敏感元件和PCB电路板电连接，所述敏感元件包括 PMMA上盖、上硅板、下硅板、PMMA底盖和压电陶瓷圆振子；其中，
[0007] 所述压电陶瓷圆振子嵌入至所述PMMA上盖上；所述上硅板上设置有射流网络；所 述下硅板上设置有射流网络和热线；所述PMMA上盖、上硅板、下硅板和PMMA底盖依次粘接 构成所述敏感元件。
[0008] 进一步，所述PMMA上盖的中心开设一圆形栗槽，在所述栗槽的中心开设一圆形栗 孔，栗槽的边缘为一高度为PMM上盖厚度1/4的台阶，将所述压电陶瓷圆振子粘接在所述 台阶上。
[0009] 进一步，所述上硅板与所述圆形栗孔对应处开设一形状尺寸与圆形栗孔相同的圆 柱形栗腔，在所述栗腔圆周上等距离开口形成四个截面为倒梯形的排气孔，所述排气孔的 末端为四个排气口；所述排气口外设置一圆环形排气室；以所述排气室的圆心为中心，在 圆环形排气室的圆周上放射状交替均匀开设两组共八个长方形孔；其中，四个所述排气孔 对应四个集流槽；与四个所述集流槽相邻的是四个上敏感射流孔，所述上敏感射流孔的始 端与所述排气室相通；所述集流槽的末端和所述上敏感射流孔的末端由圆环形回流槽连 通。
[0010] 进一步，所述集流槽与所述排气室相通处做倒梯形过渡，与所述排气口对应，并在 所述梯形过渡的短边扩张形成四个正方形的储气井，所述储气井的边长为倒梯形过渡的长 边，所述集流槽的末端的宽度大于集流槽始端的宽度；所述上敏感射流孔的起始端宽度为 所述集流槽的4倍，上射流敏感孔的宽度沿其轴线逐渐加大，在上射流敏感孔的长度为集 流槽长度的3/5处做一倒梯形过渡，所述倒梯形的短边的宽度与所述排气室的宽度一致， 短边向所述圆环形回流槽延伸形成四个长方形喷嘴孔，所述长方形喷嘴孔的长度为上敏感 射流孔长度的1/10。
[0011] 进一步，所述下硅板上开设与所述上硅板上的四个上射流敏感孔位置相互对应、 大小形状完全相同的四个下敏感射流孔，在下硅板的表面设置六对平行热线，所述六对平 行热线用于敏感X、y、Z三个方向角速度；所述上硅板和下硅板粘接以后形成的气体空间为 射流网络，粘接上所述PMMA上盖和所述PMMA底盖后构成封闭的射流网络；所述栗腔、栗孔 和栗槽构成栗室。
[0012] 进一步，所述射流网络由所述栗室、四个排气口、排气室、四个集流槽的始端的进 口、储气井、圆环形回流槽、四个喷嘴孔末端的喷嘴口、四个上敏感射流孔和四个下敏感射 流孔组成的四个射流敏感室A、B、C、D以及所述射流敏感室A、B、C、D的末端的出口构成。
[0013] 进一步，敏感X方向角速度的一对平行热线分别设置在两个对称的射流敏感室B、 D的两端的下硅板表面；敏感y方向角速度的一对平行热线分别设置与射流敏感室B、D正 交的两个对称的射流敏感室A、C内的下硅板表面；敏感z方向角速度的四对平行热线分别 设置在射流敏感室A、B、C、D中间处的下硅板的表面，并与射流敏感室A、B、C、D的轴线平 行。
[0014] 进一步，所述压电陶瓷圆振子的激励电压由所述PCB电路板上的压电栗驱动电路 提供。
[0015] 进一步，所述热线由高温度系数的金属铂、Si02和Si构成，所述下硅板的边缘被 覆电极，所述PMMA上盖和上硅板开相应的开口以便露出下硅板的电极，便于与PCB电路板 实现电气连接。
[0016] 进一步，所述PMMA上盖和PMMA底盖利用PMMA薄板采用高精度数控机床加工工艺 制作，所述上娃板和下娃板采用标准的MEMS工艺制作。
[0017] 本发明具有以下积极的技术效果：
[0018] (1)能同时敏感三个正交方向（X、Y、Z)角速度，多轴一体。
[0019] (2)用一个压电陶瓷圆振子驱动四通道循环流，不仅结构简单，寿命长，功耗低，同 时实现了压电陶瓷圆振子变形方向和射流网络平面的转向，压电陶瓷圆振子的面积大，驱 动能力强，射流速度大，射流陀螺的灵敏度高。
[0020] (3)采用的光刻技术能保证敏感元件中热线的正交性和垂直度，交叉耦合小，一致 性好。
[0021] (4)上下硅板键合为射流网络，没有热应力的失配产生的蠕变，射流陀螺的长期稳 定性好。
[0022] (5)直接用压电片陶瓷圆片驱动气流，无需额外的振膜，封装和粘贴时不易损坏， 降低了封装难度，可提高陀螺的成品率和使用寿命，传感器的可靠性高。
【附图说明】
[0023] 图1为本申请的立体图；
[0024] 图2为本申请的敏感元件的分体状态的立体图；
[0025] 图3为本申请的PMMA上盖的立体图；
[0026] 图4为本申请的上硅板的立体图；
[0027] 图5为本申请的下硅板的立体图；
[0028] 图6为本申请的信号处理电路的示意图；
[0029] 图7为本申请的惠斯登电桥的示意图；
[0030] 图8为本申请的微型四通道循环流式三轴硅射流陀螺的灵敏度曲线。
【具体实施方式】
[0031] 下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施 例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施 例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本 领域的普通技术人员。
[0032] 为了易于说明，在这里可以使用诸如"上"、"下""左""右"等空间相对术语，用于 说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图 中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中 的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征"下"的元件将定位在其他元件或特征"上"。 因此，示例性术语"下"可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度