一种微型高精度双泵双轴循环射流陀螺

摘要

本申请公开了一种微型高精度双泵双轴循环射流陀螺，其包括敏感X轴和Z轴角速度的射流陀螺芯片、底座和外壳；所述射流陀螺芯片包括PCB电路板、PET基板、硅板和PET盖板；PCB电路板上设置有电源电路；PET基板上刻蚀有敏感室和储气槽；硅板上设置有敏感X轴和Z轴方向的两对敏感热敏丝、喷嘴和射流循环通道；PET盖板上设置有两个压电振子、储气槽和用于安装压电振子的台阶；PCB电路板、PET基板、硅板和PET盖板依次粘结构成所述射流陀螺芯片。本申请的射流陀螺以气体作为敏感质量，抗高过载、耐强冲击；制作成本低、实用性强；采用密闭空间内的循环气流作为角速度气流敏感体，陀螺的稳定性好，灵敏度较大，抗干扰能力强；结构简单，使用寿命长。

说明书

技术领域

本发明属于利用哥氏力偏转射流敏感体检测运动体角速度姿态参数的技术领域，尤其是涉及一种微型高精度双泵双轴循环射流陀螺。

背景技术

现有技术中以微机械振动陀螺为代表的微型陀螺的角速度芯片内一般设置有固体框架或梁，抗冲击振动能力差，而气流式陀螺以气体作为敏感质量，结构简单，通过哥氏力使气流敏感质量偏转来实现角参数的测量，因此这种微型气流式陀螺抗高过载、耐强冲击、成本低。现有技术气流式陀螺的气流通道一般是单泵开放式或者单泵循环式。开放结构的气流式陀螺的开口和进口与外界相同，很容易受外界环境影响，陀螺的稳定性差，虽然成本低，但适用条件苛刻，实用性不强。循环结构的气流式陀螺开口和进口是相连通的，这样可以实现气流的循环，虽然工艺相对复杂，但它可以实用于条件比较苛刻的环境中。这种陀螺的尺寸很小，所以单泵气流式陀螺的驱动能力有限，这样就不能得到较高的灵敏度、线性度以及测量范围。影响气流式陀螺灵敏度的因素除了气流速度外(主要由压电泵的驱动能力决定)还包括热电阻丝电流、热电阻丝间距、腔体的结构、气体的种类、环境温度和热电阻丝的支撑柱等，所以其装调难度较大。

因此，如何克服上述问题成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微型高精度双泵双轴循环射流陀螺，该射流陀螺以气体作为敏感质量，抗高过载、耐强冲击；制作成本低；射流陀螺的压电振子施加相位差为180°的驱动电压，使压电振子的振荡方向正好是相反，这样就使两个压电泵交替处于吸入和喷出的两个状态，从而增加射流的流速，在热敏丝通以相同电流情况下，射流和热敏丝之间的热交换越多，射流陀螺的灵敏度越高，实用性强；采用密闭空间内的循环气流作为角速度气流敏感体，陀螺的稳定性好，灵敏度较大，抗干扰能力强；循环气流敏感体由一个压电振子驱动，结构简单，使用寿命长。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种微型高精度双泵双轴循环射流陀螺，所述射流陀螺包括敏感X轴和Z轴角速度的射流陀螺芯片、底座和外壳；所述射流陀螺芯片和所述底座电气连接后，扣上所述外壳密封；所述射流陀螺芯片包括PCB电路板、PET基板、硅板和PET盖板；其中，

所述PCB电路板上设置有电源电路；所述PET基板上刻蚀有敏感室和储气槽；所述硅板上设置有敏感X轴和Z轴方向的两对敏感热敏丝、喷嘴和射流循环通道；所述PET盖板上设置有两个压电振子和用于安装压电振子的台阶；PCB电路板、PET基板、硅板和PET盖板依次粘结构成所述射流陀螺芯片。

进一步，所述PET盖板的两侧都开设有一圆孔，所述圆孔的边缘设置有高度小于PET盖板厚度的台阶，所述压电振子粘结在所述台阶上；所述压电振子是由黄铜和压电陶瓷组合而成；PET盖板的背面和所述PET基板的正面相粘结用来封闭PET基板上的敏感室。

进一步，所述电源电路包括为两个所述压电振子提供相位差为180°的驱动电压电路、信号提取的桥式电路和信号处理电路。

进一步，所述硅板上设置有两对敏感热敏丝，用于敏感X和Z方向的角速度，X方向和Z方向的敏感热敏丝均平行设置，X方向和Z方向的敏感热敏丝之间垂直设置；敏感Z方向的一对敏感热敏丝的径向与所述敏感室长度方向的轴线平行，敏感X方向的一对敏感热敏丝的径向与所述敏感室长度方向的轴线垂直。

进一步，所述敏感热敏丝的长度为所述敏感室长度的1/3，由高温度系数的金属铂、SiO₂和Si构成，敏感Z轴方向的一对热敏丝位于敏感室的中间位置，敏感X轴方向的一对热敏丝分别位于敏感室的入口和出口位置。

进一步，两对所述敏感热敏丝分别作为所述PCB电路板中信号处理电路中单个惠斯登电桥的两个臂。

进一步，粘结是用环氧树脂将所述PCB板、PET基板、硅板和PET盖板粘结在一起。

进一步，所述PET盖板、PET基板和硅板的两侧对应位置都设置有一个圆孔，同时硅板上蚀刻有射流循环通道，当PET基板和硅板相粘结时圆孔就构成了两个有一定深度的压电泵室，射流循环通道也被密闭。

进一步，所述喷嘴结构是一端截面积大，一端截面积小。

进一步，所述PET盖板、PET基板均采用PET高精度激光切割成型加工工艺制作；所述硅板采用标准的MEMS工艺制作。

本发明具有以下积极的技术效果：

(1)PET盖板上安装的两个压电振子通过PCB板上的电源电路提供相位差为180°的驱动电压。

(2)除了热敏丝以外，均采用成本低且适合作微射流通道的PET薄板制作，成本低。

(3)采用密闭空间内的单循环气流作为角速度气流敏感体，陀螺的稳定性好，陀螺灵敏度较大。

(4)双泵结构增加了射流速度，从而可以增加传感器的灵敏度，线性度和测量范围，同时减少传感器的响应时间。

(5)双泵结构在单个压电泵损坏的情况下可以工作在单泵模式下，降低了压电泵损坏带来的影响。

附图说明

图1a为本申请PET盖板的立体图；

图1b为本申请PET基板的立体图；

图1c为本申请PCB电路板、PET基板和硅板粘结以后的立体图；

图2为本申请的射流陀螺芯片的组装图；

图3为本申请的射流陀螺的封装结构图；；

图4为本申请的射流陀螺的PCB板的工作原理图；

图5为本申请的射流陀螺的PCB板中惠斯登电桥的结构示意图；

图6为本申请的射流陀螺的整体结构图；

图中，1-压电陶瓷；2-铜基；3-PET盖板；4-台阶；5-PET基板；6-射流通道；7-敏感室；8-喷嘴；9-储气槽；10-硅板；11a、11b-测量Z轴热敏电阻丝；12a、12b-测量X轴热敏电阻丝；13a、13b、13c-引线点；14-PCB板；15-底座；16-管脚；17-外壳。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1-6所示，本发明提供了一种微型高精度双泵双轴循环射流陀螺，所述射流陀螺包括敏感X轴和Z轴角速度的射流陀螺芯片、底座15和外壳17；所述射流陀螺芯片和所述底座15电气连接后，扣上所述外壳17密封；所述射流陀螺芯片包括PCB电路板14、PET基板5、硅板10和PET盖板3；其中，所述PCB电路板14上设置有电源电路；所述PET基板5上刻蚀有敏感室7和储气槽9；所述硅板上设置有敏感X轴和Z轴方向的两对敏感热敏丝(11a、11b-测量Z轴热敏电阻丝；12a、12b-测量X轴热敏电阻丝)、喷嘴8和射流循环通道6；所述PET盖板3上设置有两个压电振子(压电振子由压电陶瓷1和铜基2构成)、储气槽和用于安装压电振子的台阶4；PCB电路板14、PET基板5、硅板10和PET盖板3依次粘结构成所述射流陀螺芯片。本申请是用环氧树脂将PCB板、PET基板、硅板和PET盖板粘结在一起。

如图1a所示，所述PET盖板的两侧都开设有一圆孔，在圆孔的边缘为一高度为PET盖板3厚度1/3的台阶4，将压电振子分别粘贴在台阶4上。PET盖板3反面与PET基板5的一面粘在一起，两者的储气槽相对应粘接在一起；PET盖板的背面和所述PET基板的正面相粘结用来封闭PET基板上的敏感室。。PET盖板3反面与PET基板5粘在一起之后再与硅板10相粘，它们的储气槽也是相对应粘接在一起。三者粘在一起之后再与PCB板粘在一起形成双泵双轴射流循环角速度芯片。

如图1c所示，从喷嘴处流出的射流经过敏感室，形成敏感体，然后经过喷嘴进入到另一个压电泵，再经过喷嘴、射流通道6，经过喷嘴进入到初始的压电泵中完成一次循环。

压电振子是由黄铜2和压电陶瓷1组合而成，激励电压由PCB电路板14上的压电泵驱动电路模块提供(如图5所示)，形成的两个压电振子在相位差为180°的交变电压的作用下分别沿着Z轴方向正反两个方向变形，压电泵通过改变储气槽的体积来驱动气体流动形成射流束，射流通道采用动态无阀结构，压电泵和敏感室，压电泵和射流通道都是通过喷嘴相连接的，喷嘴的结构是一端截面积大，一端截面积小，截面积大的一端流阻小，截面积小的一端流阻大，当射流在射流通道6中流动时射流总是从流阻小的端口向流阻大的端口流动，从而实现气体的定向循环流动。由喷嘴喷出的射流流入到敏感室7中形成射流敏感体。

硅板10上设置有两对敏感热敏丝，用于敏感X和Z方向的角速度，X方向和Z方向的敏感热敏丝均平行设置，X方向和Z方向的敏感热敏丝之间垂直设置；敏感Z方向的一对敏感热敏丝的径向与所述敏感室长度方向的轴线平行，敏感X方向的一对敏感热敏丝的径向与所述敏感室长度方向的轴线垂直。热敏电阻丝11a、11b、12a和12b由高温度系数的金属铂、SiO2和Si构成，硅板10的边缘被覆有电极，PET基板5的宽度没有硅板10的宽度大以便露出硅板10上的电极便于与PCB电路板14实现电气连接。两对敏感热敏丝分别作为所述PCB电路板中信号处理电路中单个惠斯登电桥的两个臂。

PCB电路板14上的电源电路包括为两个所述压电振子提供相位差为180°的驱动电压电路、信号提取的桥式电路和信号处理电路。如图4所示，PCB电路板14中有信号处理电路、电源电路、压电泵驱动电路和惠斯登电桥通过电极与双泵双轴射流循环角速度芯片实现电源和惠斯登电桥的引入，以及角速度电压的输出。硅板10上表面的两对平行的热敏丝11a、11b和12a、12b分别作为PCB电路板14中信号处理电路中的单个惠斯登电桥的两个臂，在敏感室7中通过与气流的热量交换来敏感X轴和Z轴方向的角速度输出与角速度成正比的电压信号。

敏感热敏丝的长度为所述敏感室7长度的1/3，由高温度系数的金属铂、SiO₂和Si构成，敏感Z轴方向的一对热敏丝位于敏感室的中间位置，敏感X轴方向的一对热敏丝分别位于敏感室的入口和出口位置。

PET盖板、PET基板和硅板的两侧对应位置都设置有一个圆孔，同时硅板上蚀刻有射流循环通道，当PET基板和硅板相粘结时圆孔就构成了两个有一定深度的压电泵室，射流循环通道也被密闭。

PET盖板、PET基板均采用PET高精度激光切割成型加工工艺制作；所述硅板采用标准的MEMS工艺制作。

本发明的微型高灵敏度双泵双轴射流循环陀螺由射流角速度芯片、外壳17、管脚16、底座15组成，射流角速度芯片和与其实现电气连接的PCB电路板14相连接，PCB电路板14与底座15上的管脚16相连接，然后扣上外壳17密封，电源和信号经管脚16输入和输出。图中的13a、13b、13c表示引线点。

本发明利用高精度激光切割成型和微机械工艺相结合制作层状微型气流式陀螺，充分利用了PET材料成本低，适合作微射流通道的优势，射流通道的尺度较大，可以得到相当于硅片厚度3～5倍尺度的气流通道，气体容量较大，在相同角速度输入时受到的惯性大，气流束偏转较大，陀螺的灵敏度较大。

采用密闭空间内的单循环气流作为角速度气流敏感体，相比开放式角速度气流敏感体，受外界影响小，气流状态稳定，陀螺的稳定性好。同时在循环气流中设置喷口，形成射流，气流速度大，与热敏丝热量交换多，不仅陀螺灵敏度大，同时有助于气流定向循环流动。双泵驱动结构相较于单泵结构可以增加射流气体的速度，从而增加陀螺传感器的灵敏度，线性度和测量范围，同时减少传感器的响应时间。对于单泵结构来说作为传感器唯一的活动部件-压电振子的损坏将是致命的，而双泵结构可以在单个压电振子损坏的情况下可以继续工作在单泵驱动模式下。

本专利申请的双泵双轴循环射流陀螺芯片含有热敏丝的硅板采用标准MEMS工艺制作。其工艺如下：

(1)在一个厚为200μm的硅板(硅圆片)上下各形成一个热氧化层SiO₂作为绝缘层。

(2)上表面溅射大约0.3μm厚的有高TCR(温度系数)的金属层，如铂、钨。用光刻技术在硅片的背面形成射流通道。

(3)PET盖板3和PET基板6可以在厚度为0.5mm的PET薄板上通过高精度激光切割成型输入设计好的相应图形加工而成，用于给黄铜2加相位差为180°的驱动电压。

(4)将有热敏丝的硅板14两面分别和PCB板16的一面组合粘接。

(5)用深反应离子刻蚀法在硅板14上刻蚀通透形成射流通道和储气槽；通过金属溅射的方法形成热敏电阻丝11a、11b、12a和12b。

(6)最后将黄铜2和压电陶瓷1组成的压电振子的PET盖板3粘接，将PET盖板3和PET基板5的一面粘接形成双轴双泵射流角速度芯片。

采用上述方式加工的优点是：

(1)PCB板和硅板粘接在一起，既可以封闭循环通道，又可以为压电振子提供相位差为180°的驱动电压，同时与底座上引脚相连接，为外设电路提供接口。

(2)双泵双轴循环射流陀螺芯片的制作大部分利用PET薄板采用成熟的PET高精度激光切割成型加工工艺制作，仅包含热敏丝的硅板采用标准的MEMS工艺制作，工艺简单，成本低。

(3)采用的光刻技术可以保证热敏丝的正交性和垂直度，因此本发明交叉耦合小。

当有角速度Ω输入时，Ω沿X和Z轴方向的角速度分别为Ωx和Ωz，由于哥氏效应，从中心喷口喷出的气流将会发生偏转，从而在敏感室内的两对平行的热敏丝11a和11b(12a和12b)上引起不同程度的冷却作用。热敏丝11a和11b(12a和12b)分别连接到惠斯登电桥的两个等臂，冷却会使热敏丝电阻发生改变，阻值的改变通过惠斯登电桥转换为与角速度Ωx和Ωz成正比的电压V_X和V_Z输出，从而敏感X轴和Z轴上的角速度。

当有沿着X或者Z轴角速度作用传感器时，气流束的偏移量δ：

$\delta =\omega \times \frac{L^2}{V}---\left(1\right)$

式中，L和V分别表示从中心喷口到热敏丝11a和11b(12a和12b)的距离、气流在L段的平均速度。

每个单轴灵敏度关系式：

通过分析热敏丝和层状射流之间的热传递现象，可以得到气流式陀螺灵敏度的性能。一根热敏丝电阻的变化和流速的关系如下：

$\Delta R=\frac{-{\mathrm{\lambda \pi l\alpha I}}^2{R}_{TH0}}{{(\lambda \pi lNu-I^2{R}_{TH0}\alpha )}^2}·\frac{Nu}{V}n\Delta V---\left(2\right)$

式中，l是热敏电阻的长度。

速度增量ΔV和角速度ω_i的关系式：

因为气流的偏移量很小，而且热敏丝被设置在流速分布的线性区域，热敏丝上速度增量ΔV和角速度ω_i引起的偏移量δ_ωi是成比例的，因此它也和实际角速度ω_i成比例，得到：

$\Delta V=K_i{\delta }_{\omega i}=K_i\frac{{\omega }_i{L}_i^2}{V_i}---\left(3\right)$

式中，K_i保持不变，由热敏丝R_i的流速分布的梯度决定。

设热敏丝电流为I，把(3)代入式(2)可得传感器的输出电压：

$\Delta U=\frac{-{\mathrm{\lambda \pi l\alpha I}}^2{R}_{TH0}}{{(\lambda \pi lNu-I^2{R}_{TH0}\alpha )}^2}·\frac{Nu}{V}n\Delta V·K_i\frac{{\omega }_i{L}_i^2}{V_i}---\left(4\right)$

式中，Nu是努赛尔特数，l是热敏丝的长度，I是电流，λ是空气的热传导率，α是热敏丝的温度系数，R_TH0是无外加角速率时在初始温度下热敏丝的阻值，根据式(4)可以计算传感器的灵敏度，单轴灵敏度SF＝4.24264μV/°/s。

本申请的优点是：本文申请的高精度双泵双轴射流陀螺结构简单，成本低，并且内部含有信号提取、放大和处理的电路，并且双泵驱动结构相较于单泵结构可以增加射流气体的速度，从而增加陀螺传感器的灵敏度，线性度和测量范围，同时减少传感器的响应时间。对于单泵结构来说作为传感器唯一的活动部件-压电振子的损坏将是致命的，而双泵结构可以在单个压电振子损坏的情况下可以继续工作在单泵驱动模式。

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。