微型射流角速率傳感器的製作方法

2024-03-10 14:17:15

專利名稱：微型射流角速率傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微型射流角速率傳感器。
背景技術：
循環氣流的流場分布在哥氏力作用下會發生偏轉，人們利用該原理，研製出了壓電射流角速率傳感器。這種傳感器利用運動氣流來敏感角速率，沒有可動的固體部件，因而抗衝擊能力非常強，可以承受很大的過載，並且還具有壽命長、成本低的特點。其可用於坦克、炮彈、飛彈和艦船等領域。早在60年代至80年代，美國一些公司就對各種射流角速率傳感器的工作原理、結構設計和實用的可能性進行了研究。美國的壓電射流角速率傳感器已用於炮彈末制導，且已批量生產。如

圖1所示，為現有技術的壓電射流陀螺的剖面圖。在壓電泵17的驅動下，器件內部的氣體形成循環，在檢測腔18中形成從右向左的氣流，而在外加角速度的作用下，檢測腔中的氣流流場發生偏轉，流場的偏轉致使兩熱敏電阻絲上流過的氣流速度不再相等，兩熱敏電阻絲的阻值不再相等，角速度越大，兩熱敏電阻絲的阻值差異也越大，通過與熱敏電阻絲連接的電橋電路即可檢測出阻值的差異，從而計算出被測物體的角速度。
但是，目前壓電射流角速率傳感器都是採用傳統的機械加工的方法來製作的，因而體積比較大，限制了其應用範圍，另外其成本也難以進一步降低。
實用新型內容針對現有射流角速率傳感器所存在的問題和不足，本實用新型提出了一種易加工、體積小成本低的微型射流角速率傳感器。
本實用新型的技術方案為，一種微型射流角速率傳感器，包括有底座、蓋體、兩熱敏電阻、諧振驅動器和檢測所述熱敏電阻用的檢測電路，所述底座和薄膜蓋之間形成空腔，所述空腔被分為振動腔、檢測腔、兩個對稱的微型射流泵、集流腔和尾氣腔，所述振動腔的氣體出口即為所述微型射流泵的氣體入口，所述微型射流泵與所述集流腔相連，所述集流腔與所述檢測腔相通，所述檢測腔的氣體通過所述尾氣腔流回所述振動腔；所述兩熱敏電阻對稱固定在所述底座上，並接入所述檢測電路中；所述振動腔部分的蓋體為薄膜層，所述諧振驅動器固定在所述薄膜蓋層。
進一步地，所述的熱敏電阻具體設置於所述檢測腔中。
進一步地，所述的底座為易於刻蝕的玻璃；所述的薄膜蓋易於腐蝕的半導體矽。
進一步地，所述的底座和蓋體之間通過靜電鍵合技術粘貼。
本實用新型採用玻璃片和矽片作為基體，分別在其上刻蝕出各個腔體，再將這兩塊經過刻蝕的玻璃片和矽片通過靜電鍵合技術粘貼起來，形成封閉的結構。於其內設置兩同樣的熱敏電阻。並在振動腔部分的薄膜層上設置有諧振驅動器，形成振源以產生振動，使各腔體內的氣體循環流動。由於腔體均為對稱設置，在常態狀況下，流經熱敏電阻的氣流相等，其阻值相等。但將本實用新型置於旋轉體上後，在外加角速度的作用下，檢測腔中的氣流流場發生偏轉，流場的偏轉致使兩熱敏電阻絲上流過的氣流速度不再相等，從而導致兩熱敏電阻絲的阻值不再相等，角速度越大，兩熱敏電阻絲的阻值差異也越大。通過檢測電路檢測兩熱敏電阻絲的阻值具體差異，以計算待測物體的角速度。本實用新型正是利用循環氣流在哥氏力作用下發生偏轉來檢測待測物體的角速度的。本實用新型的玻璃片和矽片能夠採用MEMS(Micro-Electro-Machanical-System，微機電系統)工藝來製作，具有微型化、可批量生產、成本低、結構簡單、無可動部件、易於與驅動以及信號檢測電路實現單片集成等優點。
以下結合附圖，對本實用新型做出詳細描述。
圖1為現有壓電射流角速率傳感器的結構示意圖；圖2為本實用新型的結構示意圖；圖3為圖2的A-A剖視示意圖；圖4為本實用新型在有角速度和無角速度情況下檢測腔氣流變化示意圖；圖5為本實用新型檢測熱敏電阻的檢測電路示意圖；圖6為本實用新型實際應用檢測電路示意圖。
具體實施方式
如圖2、3所示，本實用新型由底座1和蓋體2構成，其中，底座1是玻璃片，蓋體2為矽片。玻璃片採用溼法深刻蝕工藝刻蝕為圖2中所示的槽形結構，構成本實用新型的底座1，矽片採用體矽腐蝕技術腐蝕為與底座1可配合的槽形，將底座1和蓋體2通過靜電鍵合技術粘貼起來，形成一個封閉的結構，如圖3所示。這樣，如圖2所示，底座1和蓋體2之間就形成了振動腔3、兩個對稱的微型射流泵4、檢測腔5、集流腔6和尾氣腔7。
振動腔3部分的蓋體2製作成薄膜層，如圖3所示，為加工方便，蓋體2的厚度一致。振動腔3部分的蓋體2上安裝有諧振驅動器9，諧振驅動器9可以採用多種驅動方式，比如靜電、電磁、壓電等等，如果諧振驅動器9採用壓電驅動方式，則可以在振動腔的上壁薄膜上粘貼一壓電陶瓷片來實現。由諧振驅動器9使振動腔的上壁薄膜產生周期性的振動。由于振動腔3與兩對稱的微型射流泵4以及尾氣腔7相連通，微型射流泵4又與集流腔6連通，集流腔6通過檢測腔5與尾氣腔7相連通，即各腔室整體保持連通。在振動腔3上的薄膜層周期性振動時，薄膜層向下運動，振動腔3體積減小的半個周期中，振動腔中的氣體通過入氣口高速噴向兩個微型射流泵4，如圖2的箭頭流向所示。根據射流泵的理論，同時其會攜帶一部分來自尾氣腔7的氣體，通過微型射流泵4進入集流腔6；在另外半個周期中，薄膜向上振動，振動腔3體積增大並吸入氣體，由於腔室的結構，這些氣體全部來自尾氣腔7，這樣，集流腔6中的氣體通過檢測腔5壓入尾氣腔7。形成如圖2箭頭所示的穩定的氣流流向。穩定運行時，每個周期中尾氣腔7裡面的氣體都有一部分被吸入振動腔3，然後被噴射進入射流腔4，進而到達集流腔6，而集流腔6的氣體又通過檢測腔5進入尾氣腔7。這樣，當薄膜不斷周期性的振動時，將形成如圖2所示的穩定的氣流循環，這樣，就在檢測腔中形成了用於檢測角速度的穩定的氣流。
如圖2所示，在檢測腔5中以檢測腔中心為對稱軸安置一對阻值相等的熱敏電阻10，用於待測物體角速度的檢測。
本實用新型的原理為，如圖4所示，檢測腔5中的氣流處於層流狀態時，氣流速度(Vx)分布為一個沿中心線對稱的旋轉拋物面，中心流速最高，為Vm，越靠近管壁流速越低，距離中心最遠端R的壁面處V＝0，距離中心r處的速度分布為Vx=Vm(1-r2R2)]]>當外界輸入角速度ω時，拋物面頂點將發生偏轉，如圖4中虛線所示。在中心線兩側設置兩根對稱的熱敏電阻R1、R2。當沒有角速度輸入，ω＝0時，Vx拋物面頂點與兩根熱敏電阻的對稱中心線重合，如圖中實線所示，流過兩熱敏電阻的氣流速度相同，兩熱敏電阻散熱相同，阻值相等。當輸入順時針方向角速度ω時，Vx拋物面頂點偏離中心軸線，使上部流速大於下部流速，如圖中虛線所示，結果就是使得上部的熱敏電阻R1散熱加快，阻值變小，下部熱敏電阻R2散熱減緩，阻值增大。如圖5所示，將兩熱敏電阻R1、R2接入測量用的橋式電路中，通過檢測阻值的變化來檢測物體的角速度。熱敏電阻阻值變化時，電橋輸出一個相應的電壓信號Uout。當輸入相反方向的角速度時，則電橋輸出一個相反極性的信號。由於運動氣流受到的哥氏加速度和輸入的角速度的大小成正比，有如下關係ac＝2V×ω所以，角速度ω越大，流場的偏轉越厲害，流過兩個熱敏電阻的氣流速度之差就越大，兩個熱敏電阻的阻值之差也就越大，相應的電橋輸出的電壓信號也越大，通過檢測電橋輸出電壓的大小，即可獲取角速度ω的信息。
如圖2所示，本實用新型的熱敏電阻10設計成雙線形，其端部在底座1一端引出，以方便接入檢測電路中。
如圖6所示，實際應用時，由於電橋輸出的信號非常微弱，必須採用後面的放大電路進行放大處理才能夠讀出。如圖6所示，檢測輸出端還連接一放大器U1、濾波器U2和直流放大器U3。兩個熱敏電阻R1、R2與兩個參考電阻R組成差動電橋，在角速度作用下，其中一個熱敏電阻阻值變大，另外一個變小，電橋輸出一個差動信號，此差動信號被前置放大器U1進行放大，前置放大器採用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比的儀表放大器(INA103)；電橋輸出的微弱信號經過前置放大器U1放大後被送入低通濾波器U2進行濾波，以消除信號中的一些高頻幹擾；信號經過濾波後進入直流放大器U3(AD822)進一步的放大並輸出。通過輸出的電壓信號即可計算出待測物體的角速度。
權利要求1.一種微型射流角速率傳感器，其特徵在於，該測量儀包括有底座、蓋體、兩熱敏電阻、諧振驅動器和檢測所述熱敏電阻用的檢測電路，所述底座和薄膜蓋之間形成空腔，所述空腔被分為振動腔、檢測腔、兩個對稱的微型射流泵、集流腔和尾氣腔，所述振動腔的氣體出口即為所述射流腔的氣體入口，所述射流腔與所述集流腔相連，所述集流腔與所述檢測腔相通，所述檢測腔的氣體通過所述尾氣腔流回所述振動腔；所述兩熱敏電阻對稱固定在所述底座上，並接入所述檢測電路中；所述振動腔部分的蓋體為薄膜層，所述諧振驅動器固定在所述薄膜蓋層。
2.如權利要求1所述的微型射流角速率傳感器，其特徵在於，所述的熱敏電阻具體設置於所述檢測腔中。
3.如權利要求1所述的微型射流角速率傳感器，其特徵在於，所述的底座為易於刻蝕的玻璃；所述的薄膜蓋為易於腐蝕的半導體矽。
專利摘要本實用新型公開了一種微型射流角速率傳感器，包括有底座、蓋體、兩熱敏電阻、諧振驅動器和檢測熱敏電阻用的檢測電路，底座和薄膜蓋之間形成空腔，空腔被分為振動腔、檢測腔、兩個對稱的微型射流泵、集流腔和尾氣腔，振動腔的氣體出口即為微型射流泵的氣體入口，微型射流泵與集流腔相連，集流腔與檢測腔相通，檢測腔的氣體通過尾氣腔流回振動腔；兩熱敏電阻對稱固定在底座上，並接入檢測電路中；振動腔部分的蓋體為薄膜層，諧振驅動器固定在薄膜蓋層。本實用新型的玻璃片和矽片能夠採用MEMS(Micro－Electro－Machanical－System，微機電系統)工藝來製作，具有微型化、可批量生產、成本低、結構簡單、無可動部件、易於與驅動以及信號檢測電路實現單片集成等優點。
文檔編號G01P3/00GK2722252SQ200420009040
公開日2005年8月31日 申請日期2004年5月20日 優先權日2004年5月20日
發明者周健, 閆桂珍, 楊楷 申請人:北京大學