MEMS流體陀螺的研究進(jìn)展
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(yùn)動(dòng)情況的一類傳感器，包括加速度計(jì)和陀螺。人們早就利用它們進(jìn)行輪船、飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，近些年來人們又把這項(xiàng)技術(shù)用于汽車的控制、自動(dòng)駕駛和導(dǎo)彈的制導(dǎo)等領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的慣性傳感器由于體積大、重量重、成本高等原因，極大地限制了它們的應(yīng)用。在這種背景下，以微電子機(jī)械系統(tǒng)為基礎(chǔ)的微機(jī)械慣性傳感器逐漸發(fā)展起來，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(jī)械式振動(dòng)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(jìn)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(dòng)部件，其抗沖擊、抗振動(dòng)能力大大提高，特別適合在高沖擊、高振動(dòng)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(dòng)量，流體作為常規(guī)的轉(zhuǎn)子，形成測量外界角速度的角動(dòng)量，當(dāng)外界有角速度輸入時(shí)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)流體與殼體的相對運(yùn)動(dòng)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(jì)、中國電子集團(tuán)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(jī)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(shí)，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(shí)，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(qiáng)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(bào)道的射流氣體微陀螺主要由壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)檢測質(zhì)量，抗過載能力強(qiáng)，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(dòng)氣體循環(huán)，當(dāng)陀螺有角速度信號輸入時(shí)，利用哥氏力使循環(huán)氣流束偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)角參數(shù)的測量。循環(huán)氣流是由壓電泵激勵(lì)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(shí)，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(jìn)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)。壓電射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)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(jī)器人姿態(tài)控制不可缺少的慣性器件。
1.3 ECF流體陀螺
