MEMS流體陀螺的研究和發(fā)展應用前景

　　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)測量物體運動(dòng)情況的一類(lèi)傳感器，包括加速度計和陀螺。人們早就利用它們進(jìn)行輪船、飛機和航天器的導航，近些年來(lái)人們又把這項技術(shù)用于汽車(chē)的控制、自動(dòng)駕駛和導彈的制導等領(lǐng)域。但是傳統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用。在這種背景下，以微電子機械系統為基礎的微機械慣性傳感器逐漸發(fā)展起來(lái)，其中微陀螺在慣性導航系統如航空航天和航海事業(yè)中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。除了傳統的機械式振動(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、超導陀螺等，這些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的優(yōu)勢，下面就流體陀螺的研究和發(fā)展應用前景進(jìn)行介紹。

　　1 各種流體陀螺簡(jiǎn)介

　　流體類(lèi)陀螺儀與傳統陀螺儀相比，由于沒(méi)有懸掛質(zhì)量塊，結構大大簡(jiǎn)化，制作難度降低，更重要的是，省去了復雜的活動(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，流體作為常規的轉子，形成測量外界角速度的角動(dòng)量，當外界有角速度輸入時(shí)，利用轉動(dòng)流體與殼體的相對運動(dòng)來(lái)產(chǎn)生敏感變化的輸出信號。另一種則是利用流體系統的科氏加速度來(lái)產(chǎn)生敏感變化的輸出信號。

　　1.1 氣體對流陀螺

　　圖1是由清華大學(xué)設計、中國電子集團第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)生偏轉的原理，采用微機械加工工藝制作的。此微流體傳感器由隔熱腔體、加熱器和兩對對稱(chēng)的溫度傳感器構成。加熱器和溫度傳感器懸在腔體上面。加熱器加熱使其周?chē)臍怏w溫度升高，密度減小。在重力加速度的作用下，腔體內的氣體發(fā)生對流。位于加熱器相等距離上的一對溫度傳感器用來(lái)測量加熱器兩邊的溫差。器件封裝在密封的隔熱管殼內，防止外部氣流和溫度對器件的影響。敏感方向無(wú)哥氏加速度時(shí)，腔體內的加熱氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生對流，如加熱器水平方向上兩邊相等位置上的溫度相等，兩對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溫度差，兩對溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩對溫度傳感器采用熱敏電阻，可與外接的兩對參考電阻構成電阻電橋，這樣通過(guò)電橋的輸出電壓信號變化便可以測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迫對流氣體的氣流束 (層流)和敏感元件的熱阻效應來(lái)測量角速率的。目前，采用MEMS技術(shù)制作的射流微陀螺并不多。報道的射流氣體微陀螺主要由壓電驅動(dòng)泵、循環(huán)氣流通道及腔室、微噴嘴和熱敏元件等組成。它結構簡(jiǎn)單，無(wú)活動(dòng)檢測質(zhì)量，抗過(guò)載能力強，成本低，壽命長(cháng)。它是在哥氏力定理基礎上發(fā)明出來(lái)的，它通過(guò)壓電泵驅動(dòng)氣體循環(huán)，當陀螺有角速度信號輸入時(shí)，利用哥氏力使循環(huán)氣流束偏轉來(lái)實(shí)現角參數的測量。循環(huán)氣流是由壓電泵激勵而產(chǎn)生的氣體層流束(射流)，信號由兩根平行的熱敏絲R1，R2敏感。當輸入角速度為∞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(jiàn)圖2)，偏離的角度和方向決定于輸入角速度，這樣通過(guò)測量外圍電路電壓的變化便可測量出相應的加速度值。

　　傳統陀螺是利用高速轉子的定軸性和進(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)生偏轉敏感角速度。由于氣體的質(zhì)量很小，沒(méi)有轉動(dòng)部件，故壓電射流陀螺能承受高沖擊，并有壽命長(cháng)、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彈、飛機、艦船、工業(yè)自動(dòng)化和機器人等技術(shù)領(lǐng)域，是測量和控制角速度、角加速度和角度等角參數的關(guān)鍵部件。它也是末制導炮彈和機器人姿態(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：在容器內部充滿(mǎn)ECF液體，當在如圖3所示的電極上加上上千伏的電壓時(shí)，便會(huì )產(chǎn)生很強的ECF液體沖擊流，并往圖3(a)所示方向流動(dòng)。當給陀螺如圖3(b)所示以順時(shí)針?lè )较蛐D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)而可以檢測出外部的電壓值的變化，通過(guò)測量外部電壓的變化便可以測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(kāi)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用場(chǎng)合，設法尋找新的ECF材料或采取其它途徑來(lái)降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴大應用場(chǎng)合的關(guān)鍵。

　　1.4 超流體陀螺

　　對于超流體陀螺(super fluid gyroscope)的研究是基于一種低溫物理效應一超流體開(kāi)展的。采用超流體的陀螺。其工作原理設計、可行性驗證以及精度等級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)驗分析。但因為超流體獨特的物理特性對于保持慣性有著(zhù)良好的潛力，研究者們正在積極開(kāi)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)基本上可以認為沒(méi)有阻力，當承載容器與其發(fā)生切向運動(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)低阻使之對于轉動(dòng)可能呈現出非常良好的慣性。這樣超流體與承載容器間就出現了相對流動(dòng)，檢測這個(gè)運動(dòng)速度或它的某種放大量就可以獲得轉動(dòng)速度的信息。

　　由于超流體的粘滯系數很低，流體間以及流體對周?chē)\動(dòng)的阻尼很小，具有很好的慣性，而慣性導航系統對陀螺的要求正是需要其保持良好的慣性系。利用超流體效應檢測角速度，在原理上具有遠遠高于常規陀螺的性能潛力，適用于各類(lèi)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(kāi)，不成熟的環(huán)節還較多，如何將原理與實(shí)際的應用相結合，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 語(yǔ)

　　本文根據微流體陀螺的不同原理介紹了幾種常見(jiàn)的MEMS微流體陀螺，并對它們的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應用前景進(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特優(yōu)點(diǎn)，使得它們都較適合應用在慣性導航、自動(dòng)控制等相關(guān)領(lǐng)域，因而具有廣闊的應用前景，隨著(zhù)微機電技術(shù)的發(fā)展和新型材料的應用，流體陀螺的種類(lèi)將進(jìn)一步多樣化，微流體陀螺將在慣性導航和自動(dòng)控制等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。