基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺的製作方法

2023-11-09 10:12:57

專利名稱：基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺，屬於慣性測量領域。
背景技術：
合成射流微泵在流動控制領域，如流動分離及氣動力控制、射流矢量控制、增強摻混及傳熱傳質控制、微流體傳輸與控制等方向具有十分廣闊的應用前景。射流轉子陀螺的基本原理是通過微泵噴出的氣體在檢測腔中形成一個氣流轉子，該射流轉子具有傳統機械轉子所具有的定軸性和進動性。當外界有垂直於或平行於流體轉子轉軸的角速度或加速度輸入時，與殼體固定的熱敏電阻就·會與射流轉子產生一個相對的運動引起熱敏電阻電阻值的變化，通過相應檢測電路即可以實現對角速度或加速度的檢測。射流轉子陀螺可以實現六自由度測量，具有實現技術容易、抗衝擊性好、工藝簡單等優點，是一項很有前景的MEMS慣性傳感器。參照圖8，在申請號為201110189839. O的專利文獻「一種新型MEMS射流轉子陀螺」中，西北工業大學提出了一種新型MEMS射流轉子陀螺，包括腔體層、上密封層、下密封層和熱敏電阻層。所述的腔體層包括檢測腔和圍繞檢測腔周向均布的振動腔；熱敏電阻層位於腔體層上方，用於檢測氣流偏轉。下密封層的兩個壓電片分別位於兩個振動腔正上方，作為微泵的振動薄膜。上密封層位於熱敏電阻層上方，下密封層位於腔體層下方，兩個密封層和壓電片層一起使得腔體層形成密閉空腔；利用的激勵電壓相位相差η，使得兩個振動腔交互噴氣與吸氣，氣體經由兩個出氣口在檢測腔形成氣流轉子，形成一個封閉的系統。但是，此陀螺是一個封閉的系統。在一個封閉的系統中，由於氣流運動的複雜性，儘管兩個壓電片激勵電壓相位相差η，兩個振動腔不能完成交替噴氣與吸氣，難以實現氣流的定向運動。由於兩個振動腔在同一時刻噴氣與吸氣的氣流量不同，形成的氣流轉子軸隨著氣流運動而運動，使得氣流轉子軸與殼體軸的一致性較差。由於是封閉的系統，壓電片連續振動使得腔體內部氣體的溫度升高，影響了射流轉子陀螺的檢測精度。
發明內容為克服現有技術中難以形成穩定的氣流轉子，壓電片振動引起的氣體溫度升高問題，本發明在原陀螺的基礎上進行改進，提出一種基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺。本發明所採用的技術方案是一種基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺，參照圖1-6，依次包括上密封層I、熱敏電阻層2、腔體層3和下密封層5 ;所述的腔體層3上有一貫穿的圓柱空腔，在所述圓柱空腔外側周向均布有多個振動腔；各振動腔均未貫通所述的腔體層3，未貫通部分分別形成相應的振動薄膜；各振動薄膜下分別連有壓電片；所述圓柱空腔分別通過相應的噴口與相應的振動腔連通；所述各噴口徑向錯開；噴口由一主通道和在主通道兩側增加的支通道組成，所述支通道寬度比主通道小；上密封層I位於腔體層3上方，使得腔體層3上的各振動腔均形成密閉空腔；熱敏電阻層2位於檢測腔33上方，由4個周向均布的懸置熱敏電阻組成，用於檢測氣流偏轉；下密封層I位於腔體層3下方，它和上密封層I 一起，使得腔體層3上的貫穿圓柱空腔形成檢測腔33 ;下密封層I上的通氣孔56使得檢測腔33與外界連通，同時，下密封層I上也有相應的通氣孔與噴口上的支通道中間部位連通，使得所述射流轉子陀螺形成一個開放的系統。基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺充分利用合成射流的特點，當壓電片向上振動分別壓縮各振動腔的氣體，從而氣體從振動腔分別流入相應的出氣口，利用進氣口比出氣口對氣體的阻力大，實現壓電片向上振動時氣體從出氣口進入檢測腔33大於從進氣口流出的氣體；當壓電片向下振動分別擴散振動腔的氣體，從而氣體從出氣口流入振動腔，利用進氣口比出氣口對氣體的阻力小，實現壓電片向下振動時氣體從進氣口流進的氣體大於從出氣口流進的氣體。因此壓電片的上下振動實現了氣體的定向傳輸和單向流動，即由進氣口到檢測腔33的單向流動。激勵電壓的存在，使得氣體不斷從外界流入檢測腔33形成轉子，而當檢測腔33壓強增大時，氣體通過通氣孔流向外界。氣流轉子軸和檢測腔體軸是重合的，當外界有角速度和加速度輸入時，氣流轉子由於慣性而發生偏轉，會引起不同位置處的熱敏電阻冷卻效果的不同，從而造成熱敏電阻溫度的不同，由於電阻溫度效應，其電阻 值也會隨之變化，通過檢測熱敏電阻電阻值的變化，就可測得氣流轉子的偏轉位移，由這個位移就可推得外界輸入的角速度和加速度。本發明的有益效果是基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺充分利用合成射流的特點，利用進氣口與出氣口對氣流的阻力的不同，實現氣體的定向傳輸，單向流動，即由進氣口到出氣口，由振動腔到檢測腔的傳輸與流動。利用通氣孔與外界相通，解決了由於壓電片振動引起的氣體溫度升高，提高射流轉子陀螺的精度。振動腔振動相位相差為O時，產生的氣流轉子軸與殼體軸有更好的一致性。
以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖I是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺剖視圖圖2是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺上密封層示意圖圖3是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺腔體層俯視圖圖4是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺腔體層主視圖圖5是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺腔體層局部放大圖圖6是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子熱敏電阻層示意圖圖7是實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子下密封層示意圖圖8是西北工業大學前期提出的新型的MEMS射流轉子陀螺示意圖圖中，I-上密封層，2-熱敏電阻層，3-腔體層，5-下密封層，21-熱敏電阻I，22-熱敏電阻II，23-熱敏電阻III，24-熱敏電阻IV，31-振動腔I，32-振動腔II，，33-檢測腔，34-進氣口 I，35-通氣口 I，36-進氣口 II，37-出氣口 I，38-進氣口III，39-通氣口II，40-進氣口 IV，41-進氣口 V，42-通氣口III，43-進氣口 VI，44-出氣口 II，45-進氣口 VL46-通氣口 IV，47-進氣口珊，51-壓電片I，52-通氣孔I，53-通氣孔II，54-壓電片II，55-通氣孔III，56-通氣孔，57-通氣孔IV
具體實施方式
參照圖1-6，本實施實例的基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺，依次包括上密封層I、熱敏電阻層2、腔體層3和下密封層5 ;所述的腔體層3上有一貫穿的圓柱空腔，在所述圓柱空腔外側對稱布有振動腔I 31和振動腔II 32 ;振動腔I 31和振動腔II 32均未貫通所述的腔體層3，未貫通部分分別形成相應的振動薄膜；各振動薄膜下分別連有壓電片I 51和壓電片II 54;振動腔I 31和振動腔II 32分別通過相應的噴口與圓柱空腔連通；兩個噴口徑向錯開；振動腔I 31和圓柱空腔連通的噴口由一與出氣口 I 37連通的主通道和在主通道兩側增加的支通道組成，一側的支通道包括依次垂直連接的進氣口 I 34、通氣口 I 35和進氣口 II 36，另一側的支通道包括依次垂直連接的進氣口 VII 45、通氣口 IV 46和進氣口VDI47 ;與該噴口的結構形式一樣，振動腔II 32和圓柱空腔連通的噴口則由一與出氣口 II 38連通的主通道和在主通道兩側增加的支通道組成，一側的支通道包括依次垂直連接的進氣口III 38、通氣口 II 39和進氣口 IV 40，另一側的支通道包括依次垂直連接的進氣口 V 41、通氣口 III 42和進氣口 VI 43 ;所述進氣口 I 34、通氣口 I 35、進氣口 II 36、進氣口VII45、通氣口 IV 46、進氣口 VDI47、進氣口 III38、通氣口 II 39、進氣口 IV 40、進氣口 V 41、通氣口III 42和進氣口 VI 43的通道寬度小於出氣口 I 37和出氣口 II 38的通道寬度；上密封層I位於腔體層3上方，使得腔體層3上的振動腔I 31和振動腔II 32均 形成密閉空腔；熱敏電阻層2位於檢測腔33上方，包括4個周向均布的懸置熱敏電阻，即熱電敏電阻I 21、熱電敏電阻II 22、熱電敏電阻III 23和熱電敏電阻IV 24，這4個熱敏電阻用於檢測氣流偏轉；下密封層I位於腔體層3下方，它和上密封層I 一起，使得腔體層3上的貫穿圓柱空腔形成檢測腔33 ;下密封層I上的通氣孔56使得檢測腔33與外界連通，同時，下密封層I上還有通氣孔I、通氣孔II、通氣孔III和通氣孔IV，依次與通氣口 I 35、通氣口 IV 46、通氣口 II 39、通氣口III 42位置相應，使得噴口上的支通道中間部位的通氣口均與外界連通，從而該實施例中的射流轉子陀螺形成一個開放的系統。該實施例中基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺的工作過程為壓電片I 51與壓電片II 54在激勵電壓相位相差為O的激勵下，同時由平衡位置向上振動，使得振動腔I 31與振動腔II 32體積減少，腔內壓強增大，氣體從振動腔I 31與振動腔II 32向外噴出，由於氣體噴出時進氣口 I 34、進氣口 II 34、進氣口III 38、進氣口IV 40、進氣口 V 41、進氣口VI 43、進氣口 VII 45和進氣口 VDI 47比出氣口 I 37和出氣口 II 44對氣體的阻力大，從而氣體主要從出氣口 I 37和出氣口 II 44流入檢測腔33形成氣流轉子；激勵電壓經過1/4周期，壓電片I 51與壓電片II 54由最高點向最低點運動，腔內壓強減小，氣體從外部流入振動腔I 31與振動腔II 32，由於氣體吸入時出氣口 I 37和出氣口 II 44比進氣口 I 34、進氣口 II 36、進氣口 III 38、進氣口 IV 40、進氣口 V 41、進氣口 VI 43、進氣口 VII 45 和進氣口 VDI 47阻力大，從而氣體主要從進氣口 I 34、進氣口 II 34、進氣口III38、進氣口 IV 40、進氣口 V 41、進氣口VI 43、進氣口 VII 45和進氣口VDI 47流入振動腔I 31與振動腔II 32。激勵電壓經過3/4周期，壓電片I 51與壓電片II 54由最低點向平衡位置振動，腔內壓強增大，氣體從振動腔I 31與振動腔II 32向外噴出，由於氣體噴出時進氣口 I 34、進氣口 II 36、進氣口III 38、進氣口IV 40、進氣口 V 41、進氣口 VI 43、進氣口 VII 45和進氣口VDI 47比出氣口 I 37和出氣口 II 44對氣體的阻力大，從而氣體主要從出氣口 I 37和出氣口 II 44流入檢測腔33形成氣流轉子。激勵電壓的存在，使得氣體不斷從外界流入檢測腔33形成轉子，而當檢測腔33壓強增大時，氣體通過通氣孔56、通氣孔I 52、通氣孔II 53、通氣孔III 55、通氣孔IV 57流向外界。氣流轉子軸和檢測腔體軸是重合的，當外界有角速度和加速度輸入時，氣流轉子由於慣性而發生偏轉，會引起不同位置處的熱敏電阻冷卻效果的不同，從而造成熱敏電阻溫度的不同，由於電阻溫度效應，其電阻值也會隨之變化，通過檢測熱敏電阻電阻值的變化， 就可測得氣流轉子的偏轉位移，由這個位移就可推得外界輸入的角速度和加速度。
權利要求1.一種基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺，依次包括上密封層(I)、熱敏電阻層(2)、腔體層(3)和下密封層(5);所述的腔體層(3)上有一貫穿的圓柱空腔，在所述圓柱空腔外側周向均布有多個振動腔；各振動腔均未貫通所述的腔體層(3)，未貫通部分分別形成相應的振動薄膜；各振動薄膜下分別連有壓電片；其特徵在於所述圓柱空腔分別通過相應的噴口與相應的振動腔連通；所述各噴口徑向錯開；噴口由一主通道和在主通道兩側增加的支通道組成，所述支通道寬度比主通道小；上密封層(I)位於腔體層(3)上方，使得腔體層(3)上的各振動腔均形成密閉空腔；熱敏電阻層(2)位於檢測腔(33)上方，由4個周向均布的懸置熱敏電阻組成，用於檢測氣流偏轉；下密封層(I)位於腔體層(3)下方，它和上密封層(I) 一起，使得腔體層(3 )上的貫穿圓柱空腔形成檢測腔(33 );下密封層(I)上的通氣孔(56 )使得檢測腔(33 )與外界連通，同時，下密封層(I)上也有相應的通氣孔與噴口上的支通道中間部位連通，使得所述射流轉子陀螺形成一個開放的系統。
專利摘要本實用新型公開了一種基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺，屬於慣性測量領域。該射流轉子陀螺，的檢測腔分別通過相應的噴口與相應的振動腔連通；所述各噴口徑向錯開；噴口由一主通道和在主通道兩側增加的支通道組成，所述支通道寬度比主通道小。該基於新型合成射流微泵的射流轉子陀螺充分利用合成射流的特點，利用進氣口與出氣口對氣流的阻力的不同，實現氣體的定向傳輸，單向流動，即由進氣口到出氣口，由振動腔到檢測腔的傳輸與流動。利用通氣孔與外界相通，解決了由於壓電片振動引起的氣體溫度升高，提高射流轉子陀螺的精度。振動腔振動相位相差為0時，產生的氣流轉子軸與殼體軸有更好的一致性。
文檔編號G01C19/02GK202692989SQ20122032957
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者常洪龍, 楊勇, 周平偉, 陳方璐, 宋蒙, 謝建兵, 袁廣民 申請人:西北工業大學