MEMS流體陀螺的研究和發(fā)展應(yīng)用前景

　　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(chǎng)深刻的變化。慣性傳感器是利用物體的慣性性質(zhì)來(lái)測(cè)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?cè)缇屠盟鼈冞M(jìn)行輪船、飛機(jī)和航天器的導(dǎo)航，近些年來(lái)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(lái)，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(lái)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(shì)，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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生敏感變化的輸出信號(hào)。另一種則是利用流體系統(tǒng)的科氏加速度來(lái)產(chǎn)生敏感變化的輸出信號(hào)。

　　1.1 氣體對(duì)流陀螺

　　圖1是由清華大學(xué)設(shè)計(jì)、中國(guó)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(duì)對(duì)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(duì)流。位于加熱器相等距離上的一對(duì)溫度傳感器用來(lái)測(cè)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(duì)器件的影響。敏感方向無(wú)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(duì)流，如加熱器水平方向上兩邊相等位置上的溫度相等，兩對(duì)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(duì)溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩對(duì)溫度傳感器采用熱敏電阻，可與外接的兩對(duì)參考電阻構(gòu)成電阻電橋，這樣通過(guò)電橋的輸出電壓信號(hào)變化便可以測(cè)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(duì)流氣體的氣流束 (層流)和敏感元件的熱阻效應(yīng)來(lái)測(cè)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(jiǎn)單，無(wú)活動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量，抗過(guò)載能力強(qiáng)，成本低，壽命長(zhǎng)。它是在哥氏力定理基礎(chǔ)上發(fā)明出來(lái)的，它通過(guò)壓電泵驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán)，當(dāng)陀螺有角速度信號(hào)輸入時(shí)，利用哥氏力使循環(huán)氣流束偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)角參數(shù)的測(cè)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(hào)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(lái)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(guò)測(cè)量外圍電路電壓的變化便可測(cè)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(zhǎng)、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(cè)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

　　ECF(electro-conjugate fluid)流體是一種新型的流體材料，當(dāng)在流體兩端的電極上加上幾千伏的電壓時(shí)，ECF流體可以產(chǎn)生很強(qiáng)的流動(dòng)，利用ECF流體的這種特性可以制作基于 ECF的流體陀螺。由日本東京工業(yè)大學(xué)制作的這種流體陀螺如圖3所示，其基本原理如下：在容器內(nèi)部充滿ECF液體，當(dāng)在如圖3所示的電極上加上上千伏的電壓時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的ECF液體沖擊流，并往圖3(a)所示方向流動(dòng)。當(dāng)給陀螺如圖3(b)所示以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角速度時(shí)，ECF的流動(dòng)便向左邊偏移，左右流體的流動(dòng)變化使得頂部的熱阻阻值發(fā)生變化，進(jìn)而可以檢測(cè)出外部的電壓值的變化，通過(guò)測(cè)量外部電壓的變化便可以測(cè)量出外界輸入角速度的值。

　　ECF流體所具有的特性為流體陀螺的研究開拓了新的途徑，但是ECF流體陀螺所用的高電壓卻可能限制它的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)法尋找新的ECF材料或采取其它途徑來(lái)降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合的關(guān)鍵。

　　1.4 超流體陀螺

　　對(duì)于超流體陀螺(super fluid gyroscope)的研究是基于一種低溫物理效應(yīng)一超流體開展的。采用超流體的陀螺。其工作原理設(shè)計(jì)、可行性驗(yàn)證以及精度等級(jí)的確定等方面都需要進(jìn)行大量探索性的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析。但因?yàn)槌黧w獨(dú)特的物理特性對(duì)于保持慣性有著良好的潛力，研究者們正在積極開展相關(guān)工作，發(fā)展基于超流體的慣性陀螺儀。由于超流體流動(dòng)基本上可以認(rèn)為沒有阻力，當(dāng)承載容器與其發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)時(shí)，超流體不會(huì)像通常的流體一樣由于液體的粘性力發(fā)生隨動(dòng)，而是保持原來(lái)的狀態(tài)。也就是說(shuō)低阻使之對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)可能呈現(xiàn)出非常良好的慣性。這樣超流體與承載容器間就出現(xiàn)了相對(duì)流動(dòng)，檢測(cè)這個(gè)運(yùn)動(dòng)速度或它的某種放大量就可以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)速度的信息。

　　由于超流體的粘滯系數(shù)很低，流體間以及流體對(duì)周圍運(yùn)動(dòng)的阻尼很小，具有很好的慣性，而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)陀螺的要求正是需要其保持良好的慣性系。利用超流體效應(yīng)檢測(cè)角速度，在原理上具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陀螺的性能潛力，適用于各類需要高精度陀螺的場(chǎng)合。不過(guò)，由于該方向的研究剛剛展開，不成熟的環(huán)節(jié)還較多，如何將原理與實(shí)際的應(yīng)用相結(jié)合，探尋更有效的高精度方案，完善配套技術(shù)以降低制造成本、縮小體積重量都是有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

　　2 結(jié) 語(yǔ)

　　本文根據(jù)微流體陀螺的不同原理介紹了幾種常見的MEMS微流體陀螺，并對(duì)它們的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，這幾種MEMS微流體陀螺都具有體積小、重量輕、成本低和抗高沖擊等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得它們都較適合應(yīng)用在慣性導(dǎo)航、自動(dòng)控制等相關(guān)領(lǐng)域，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展和新型材料的應(yīng)用，流體陀螺的種類將進(jìn)一步多樣化，微流體陀螺將在慣性導(dǎo)航和自動(dòng)控制等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。