微机械压电射流陀螺的制作方法
【专利摘要】本发明微机械压电射流陀螺，属于通过微机械加工工艺制作的由压电泵产生射流的陀螺仪。用于机器人、头盔、摄像机等微型载体的稳定系统。本发明由敏感元件、底座、外壳、信号处理电路、绝缘子、垫片组成，电源和信号经底座上玻璃灌装的绝缘子接线引出。敏感元件包括压电陶瓷微泵、射流腔体和Pt薄膜热敏电阻，它是由上下两个硅板键合而成，在上硅板上有振膜、泵室、射流腔体和Pt薄膜热敏电阻，下硅板具有与上硅板对称的结构，但没有Pt薄膜热敏电阻，在下硅板的表面被电极，并与上硅板键合构成密闭的射流腔体。信号处理电路包括压电泵驱动电路、电桥电路、放大电路、滤波电路和补偿电路。
【专利说明】微机械压电射流陀螺
【技术领域】
[0001] 本发明属于运动体的角速度姿态测量【技术领域】，特别是属于通过微机械加工工艺 制作的微机械压电射流陀螺【技术领域】。用于机器人、头盔、摄像机等微型载体的稳定系统。
【背景技术】
[0002] 压电射流陀螺器件是一种具有陀螺功能而没有传统陀螺的转动部分，也没有压电 陀螺悬挂部件的固态惯性器件。压电射流陀螺以气体作为敏感质量，其质量极小，其利用哥 氏力使循环气流束偏转来实现角参数的测量，具有成本低、响应时间短、抗冲击能力强、寿 命长等优点。现有技术中的压电射流陀螺一般由敏感器件的壳体、喷嘴体、敏感元件、压电 泵、泵座、碟簧、锁紧螺母和外部电路系统以及机械系统组成，这种压电射流陀螺是利用传 统机械加工工艺制作，体积不可能太小，不能用于头盔、摄像机等微型载体姿态测量和控制 领域，因此制约了它的应用和发展。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是进一步减小压电射流陀螺的体积， 提出一种体积小、结构简单、抗高冲击的微机械压电射流陀螺，解决在机器人、头盔、摄像机 等领域的应用。
[0004] 本发明微机械压电射流陀螺由底座、外壳组装成腔体、安装腔体内的敏感元件、信 号处理电路组成，绝缘子用作电源和信号的引线，电源和信号经底座上玻璃灌装的绝缘子 接线引出。敏感元件包括压电陶瓷微泵、射流室和钼（Pt)薄膜热敏电阻，其特征是：
[0005] 敏感元件的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板内，敏感元件包括有振膜、泵 室、气体进口、集流槽、射流喷嘴、射流室、气体出口和钼（Pt)薄膜热敏电阻，振膜制作在硅 板边缘，振膜上被覆金属膜电极，振膜以下为泵室，位于泵室近两端处有两个进口，进口的 剖面为倒梯形，两个进口下游是两个剖面为矩形的气体馈送口，将气体馈送给集流槽，集流 槽的深度比其他凹槽深，射流室剖面为矩形，位于硅片中部，射流室与集流槽之间有缩颈喷 嘴，射流室的另一端有气体回流泵室的出口，出口位于两进口中间，出口剖面为正梯形；
[0006] 钼（Pt)薄膜热敏电阻位于射流室顶部，由3丨、5丨02和金属钼（Pt)构成的三明治结 构，硅板内有金属膜电极，作为热敏电阻的输出级；压电陶瓷微泵采用压电陶瓷双晶片，在 晶片上下两个圆平面被覆金属膜电极，晶片被覆电极后粘接在振膜有金属被电极的一侧， 构成压电陶瓷微泵。
[0007] 所述陀螺内的气体可在由腔体和敏感元件组成的密闭空间内循环，所述敏感元件 的中心与所述进气口的中心均位于所述腔体的中心线上；所述气体在所述压电泵的作用下 形成气体射流束，气体射流束经过进气口喷射到敏感元件上，在通过所述出气口进入到气 体循环通道中返回，气体射流束喷射到敏感元件上的位置会随外部角速度的改变而发生偏 移，进而导致敏感元件上两个相对设置的热敏电阻的电阻值发生改变，经由信号处理电路 处理后可根据热敏电阻的电阻相对变化值得出角速度值。
[0008] 进一步，所述敏感元件的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板上，敏感元件包 括有振膜、泵室、气体进口、集流槽、射流喷嘴、射流室、气体出口和钼（Pt)薄膜热敏电阻。
[0009] 进一步，所述陀螺体积和功耗是现有技术的1 / 100。
[0010] 进一步，所述集流槽的截面面积是气体馈送口的2倍。
[0011] 进一步，所述压电陶瓷微泵气路采用动态无阀被动泵，利用气体阻力代替单向阀 的作用，实现气体的定向流动。
[0012] 进一步，所述喷嘴和射流室、喷嘴与集流室相接处的截面为梯形过渡。
[0013] 进一步，所述进气喷嘴沿气流方向直径渐短的缩口。
[0014] 进一步，所述出气口沿气流方向直径渐短的缩口。
[0015] 本发明中微机械压电射流陀螺具有下列优点：
[0016] (1)陀螺以气体作为敏感质量，具有较高的抗冲击、强振动能力。
[0017] (2)该陀螺体积和功耗是现有技术的1 / 100,应用领域广阔。
[0018] (3)采用无阀门的动态压电泵，具有驱动能力大，响应快，可靠性高的特点。
[0019] (4)该陀螺结构简单、成本低，易于加工，适合于大批量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本发明微机械压电射流陀螺结构示意图；
[0021] 图2a为上硅板微机械压电射流陀螺敏感元件剖视图；
[0022] 图2b为下硅板微机械压电射流陀螺敏感元件剖视图；
[0023] 图3为微机械压电射流陀螺气体流通图；
[0024] 图4为信号处理电路；
[0025] 图5为微机械压电射流陀螺检测电桥示意图。
【具体实施方式】
[0026] 微机械压电射流陀螺敏感角速度的前提是气体在敏感元件内循环。气体能否循环 主要取决于压电泵的射流室的结构和驱动能力。下面结合附图和具体实施例对本发明作进 一步说明。
[0027] 本发明微机械压电射流陀螺由敏感元件1、底座2、外壳3、信号处理电路4、绝缘子 5、垫片6组成，电源和信号经底座2上玻璃灌装的绝缘子5接线引出（如图1所示），敏感 元件1包括压电陶瓷微泵7、射流气路和薄膜热敏电阻8a、8b，其特征是：
[0028] 敏感元件1的各部件采用微机械制作工艺成型在硅板内，其硅板由上下两个硅板 9a、9b组成，在上硅板9a上制作振膜10、射流气路和薄膜热敏电阻8a、8b(见图2a);射流 气路包括泵室11、气体进口 12a、12b、气体馈送口 13a、13b、集流槽14a、14b、射流喷嘴15、 射流室16、气体出口 17 ;在振膜10外侧被覆金属膜电极18,振膜10以下为泵室11，气体进 口 12a、12b位于泵室11近两端处，进口 12a、12b的剖面为倒梯形；两个进口 12a、12b下游 是两个剖面为矩形的气体馈送口 13a、13b，将气体馈送给集流槽14a、14b;集流槽14a、14b 的深度比其他凹槽深，其截面面积是气体馈送口 13a、13b的2倍；射流室16剖面为矩形位 于上硅板9a中部，射流室16的一端有缩颈的射流喷嘴15,另一端有气体回流泵室11的出 口 17,集流槽14a、14b的气流在气路顶端汇聚经缩颈的射流喷嘴15射入射流室16,喷嘴14 与集流槽14a、14b相接处的剖面为喇叭形缩颈过渡；出口 17位于两进口 12a、12b中间，出 口 17剖面为正梯形；薄膜热敏电阻8a、8b位于射流室16的出口 17端，由Si、SiO2和金属 钼（Pt)构成的三明治结构；在与薄膜热敏电阻8a、8b相连的出口 17两侧被覆金属膜电极 19a、19b和金属膜电极20a、20b;在上硅板9a上制作的振膜10、泵室11、气体进口 12a、12b、 气体馈送口 13a、13b、集流槽14a、14b、射流喷嘴15、射流室16、气体出口 17只是气路部件 的半个凹槽；气路部件的另半个凹槽在下硅板8b上制作（见图2b)，但结构中没有薄膜热 敏电阻8a、8b，每个部件位置与上硅板9a镜像对称，下硅板9b的气体馈送口 13a、13b相对 应部分不刻蚀凹槽，上下硅板9a、9b的边框21表面分段被覆金属膜电极，气体馈送口 13a、 13b相对应部分不刻蚀凹槽部分也被覆金属膜电极，使每段分别与金属膜电极19a、19b和 金属膜电极20a、20b在上下娃板9a、9b键合后电气上相通，金属膜电极19a、19b和金属膜 电极20a、20b作为热敏电阻8a、8b的输出接线端；将半成品的上下两个娃板9a、9b键合后 得到密封的、完整的气路，并包括有振膜10和薄膜热敏电阻8a、8b;
[0029] 压电陶瓷微泵7采用压电陶瓷双晶片22驱动，在晶片22上下两个圆平面被覆金 属膜电极23,晶片22被覆电极23后粘接在振膜10有被覆金属膜电极18的一侧（见图 2a)，构成压电陶瓷微泵7。
[0030] 信号处理电路（见图4)包括压电泵驱动电路24、电桥电路25、放大电路26、滤波 电路27、补偿电路28,如图4所示。信号处理电路4电源采用正负级稳压直流电源，其电压 值要根据薄膜热敏电阻8a、8b的阻值、单片机供电电压和实用信号大小而定。
[0031] 由于压电陶瓷微泵7工作时振膜10在压电陶瓷双晶片22驱动下振动，压电陶瓷 微泵7向射流气路是脉动供气，射流喷嘴15在气流实际喷射中是随振膜10的振动而脉动， 射流喷嘴15喷出的射流脉动幅度越小越好，供气路中贮气占有量越大，射流喷嘴15喷出的 射流脉动幅度越小。为此，集流槽14a、14b的深度比其他凹槽深，其截面面积是气体馈送口 13a、13b的二倍，目的是尽量增大集流槽14a、14b贮气占有量，以便获得好的射流质量。
[0032] -般的微泵都具有单向阀门，其制作工艺复杂而且易损坏，寿命短，因此可靠性不 高。本实施例微机械压电射流陀螺的压电陶瓷微泵7气路采用动态无阀被动泵，这种动态 无阀被动泵没有阀门，是将气体进口 12a、12b通道截面作成倒梯形，气体出口 17通道作成 正梯形，倒梯形的气体进口 12a、12b在相同压力变化条件下进气速率大于回气速率，同理 正梯形的气体出口 17出气速率大于回气速率，利用这种气体阻力代替单向阀的作用，实现 气体的定型流动。它具有驱动能力大，响应快，可靠性高的特点。
[0033] 为了减少了因棱角阻碍和气流束面积突然变化而形成的涡流区，减少额外能量 损失，使射流容易产生循环，保持气流速度的稳定，喷嘴14与射流室16、喷嘴14与集流槽 14a、14b相接处的截面为梯形过渡。
[0034] 本实施例微机械压电射流陀螺敏感元件的制作均采用成熟的微机械加工工艺，敏 感元件的制作工艺简单，其制作工艺如下：
[0035] 制备上硅板9a
[0036] (1)在N型（100)硅衬底上热氧化生长二氧化硅作为绝缘层。
[0037] (2)真空蒸镀法淀积钼（Pt)薄膜。
[0038] (3)光刻出两条钼（Pt)薄膜热敏电阻的形状。
[0039] (4)以光刻胶为掩膜刻蚀钼（Pt)。
[0040] (5)钼（Pt)为掩膜刻蚀二氧化硅。
[0041] (6)采用各向异性腐蚀液腐蚀单晶硅得到振膜10、泵室11、气体进口 12a、12b、集 流槽14a、14b、射流喷嘴15、射流室16、气体出口 17和钼（Pt)薄膜热敏电阻8a、8b结构，形 成上娃板9a。
[0042] (7)以机械掩膜溅射振膜10外侧的被覆金属膜电极18、出口 17两侧的被覆金属 膜电极19,电极选材或铝或金。
[0043] 制备下硅板9b
[0044] (8)采用各向异性腐蚀液腐蚀单晶硅得到下硅板，并溅射电极。
[0045] 上硅板9a和下硅板9b键合
[0046] (9)上硅板9a与下硅板9b键合采用键合机进行Si-Si键合，形成密闭射流室。
[0047] (10)上娃板9a与下娃板9b键合后，在振膜10 -侧溉射电极，并将被好的压电陶 瓷双晶片22粘接在振膜10上，形成压电陶瓷微泵7。
[0048] 微机械压电射流陀螺的体积可做到20X18X12(mm3)，测量范围为120° /S，分辨 率为优于0.0Γ/S，响应时间优于20MS，非线性度优于1%。
[0049] 本实施例微机械压电射流陀螺的工作过程（见图3)。
[0050] 敏感元件1的射流29由压电陶瓷微泵7驱动产生，压电陶瓷双晶片片22在外加 交变激励电压驱动下作鼓形振动，当振膜10向内压迫时，泵室11收缩，泵室11内的气体经 气体进口 12a、12b经气体馈送口 13a、13b进入集流槽14a、14b，经出口 17进入射流室16， 当振膜10向外运动时，泵室11扩张，集流槽14a、14b内的气体经气体馈送口 13a、13b、气 体进口 12a、12b回流泵室11，射流室16的气体也经出口 17回流泵室11。由于动态被动阀 (即气体进口 12a、12b的结构为倒梯形、出口 17的结构为正梯形）的微扩散作用，流经气 体进口 12a、12b的流量大于回流的流量；同理，射流室16的气体经气体出口 17的流回泵室 11的量大于回流的流量。这种不平衡的气体流动促成了射流气路中的气体循环流动，这时 气体表现为从由泵室11进口 12a、12b进入，由出口 17的流回泵室11。随着压电陶瓷微泵 7的振膜10周期性振动，气体不断地从气体馈送口 13a、13b送入集流槽14a、14b，又不断的 从射流室排出到泵腔，从而形成一稳定的连续射流束。
[0051] 射流喷嘴15产生射流束29,在射流室16内射向一对钼（Pt)薄膜热敏电阻8a、8b。 一旦有角速度信号输入，原来从钼（Pt)薄膜热敏电阻薄膜热敏电阻8a、8b对称中心通过的 射流束在哥氏力的作用下就会向某一方向偏离，造成一对钼（Pt)薄膜热敏电阻薄膜热敏 电阻8a、8b不同的冷却，从而由电桥电路25检测偏离量的电信号，得到与角速度成正比的 电信号，如图5所不。
[0052] 当输入角速度为Oi时，由于哥氏加速度的作用，射流束偏离中心位置，并作用到 钼（Pt)薄膜热敏电阻8a、8b上。如图4所示，热敏电阻8a、8b因受射流29冷却而发生电 阻变化，使电桥失去平衡，输出正比于角速度的电信号Vtl。射流29偏离的量值和方向决定 于外加的角速度矢量。若偏离量为Y，则哥氏加速度为：
[0053] 7 =2ω?Υ]( 1 )
[0054] 从上式可得，射流29穿过热敏电阻8a、8b时由于哥氏力作用而产生的射流29偏 移速度和偏离量分别为
[0055]
【权利要求】
1. 一种微机械压电射流陀螺，其特征为该陀螺由底座、外壳组装成腔体、安装腔体内的 敏感元件、信号处理电路组成，绝缘子用作电源和信号的引线，电源和信号经底座上玻璃灌 装的绝缘子接线引出。敏感元件包括压电陶瓷微泵、射流室和钼（Pt)薄膜热敏电阻。
2. 根据权利要求1所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述敏感元件的各部件 采用微机械制作工艺成型在硅板内，敏感元件包括有振膜、泵室、气体进口、集流槽、射流喷 嘴、射流室、气体出口和钼（Pt)薄膜热敏电阻，振膜制作在硅板边缘，振膜上被覆金属膜电 极，振膜以下为泵室，位于泵室近两端处有两个进口，进口的剖面为倒梯形，两个进口下游 是两个剖面为矩形的气体馈送口，将气体馈送给集流槽，集流槽的深度比其他凹槽深，射流 室剖面为矩形，位于硅片中部，射流室与集流槽之间有缩颈喷嘴，射流室的另一端有气体回 流泵室的出口，出口位于两进口中间，出口剖面为正梯形；钼（Pt)薄膜热敏电阻位于射流 室顶部，由314102和金属钼（Pt)构成的三明治结构，硅板内有金属电极，作为热敏电阻的 输出极；压电陶瓷微泵采用压电陶瓷双晶片，在晶片上下两个圆平面被覆金属膜电极，晶片 被覆电极后粘接在振膜有金属被电极的一侧，构成压电陶瓷微泵。
3. 根据权利要求1所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述陀螺体积和功耗是 现有技术的1 / 100。
4. 根据权利要求2所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：集流槽的截面面积是气 体馈送口的2倍。
5. 根据权利要求2所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：压电陶瓷微泵气路采用 动态无阀被动泵，这种动态无阀被动泵没有阀门，是将气体进口通道截面作成倒梯形，气体 出口通道作成正梯形，倒梯形的气体进口在相同压力变化条件下进气速率大于回气速率， 正梯形的气体出口出气速率大于回气速率。利用这种气体阻力代替单向阀的作用，实现气 体的定向流动。
6. 根据权利要求1-5任一所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：为了减少因棱角 阻碍和气流束面积突然变化而形成的涡流区，减少了额外能量损失，使射流容易产生循环， 保持气流速度的稳定，喷嘴和射流室、喷嘴与集流室相接处的截面为梯形过渡。
7. 根据权利要求1-6任一所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述进气。
8. 喷嘴沿气流方向直径渐短的缩口。
9. 根据权利要求1-6任一所述的微机械压电射流陀螺，其特征在于：所述出气口沿气 流方向直径渐短的缩口。
【文档编号】G01C19/58GK104457727SQ201310413653
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】朴林华, 陈敬波 申请人:北京信息科技大学