專利名稱：一種微型陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，特別涉及一種檢測角速度的微型陀螺儀。
背景技術(shù)：
微型陀螺儀在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。不同精度的微型陀螺儀開始廣泛應(yīng)用于導彈慣性制導、汽車電子穩(wěn)定控制、機器人運動控制、工業(yè)自動化、數(shù)碼產(chǎn)品圖像穩(wěn)定、手機動作感應(yīng)以及其他消費電子產(chǎn)品。目前研制的微型陀螺儀幾乎都存在一個質(zhì)量塊，利用角速度引起的科式力激發(fā)質(zhì)量塊正交振動來檢測角速度，其檢測原理通?；陔娙荨弘?、壓阻等效應(yīng)。由于振動質(zhì)量塊的存在，陀螺儀的加工工藝十分復(fù)雜，抗沖擊能力大幅度降低，造成可靠性和壽命下降。
基于熱對流原理的微型陀螺儀利用角速度引起的科式力導致射流偏轉(zhuǎn)，使其與一對或多對對稱布置的熱敏器件對流換熱存在差異，通過檢測熱敏器件溫差獲得角速度信息。這種陀螺儀以流體代替質(zhì)量塊，簡化了檢測部件的結(jié)構(gòu)，而且可以提高陀螺儀的抗沖擊能力，但用于產(chǎn)生射流的驅(qū)動器制作難度大，限制了熱對流微型陀螺儀的發(fā)展，另外溫度檢測方式雖然簡單成熟，但精度不高且易受外界環(huán)境干擾。
磁流體動力學是研究導電流體的物理學分支，其基本思想是在運動的導電流體中，磁場能夠感應(yīng)出電流，其基本方程是流體力學中的納維-斯托克斯方程和電動力學中的麥克斯韋方程組。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有微型陀螺儀的不足之處，提出一種微型陀螺儀，該微型陀螺儀無活動和振動部件，磁流體檢測方式靈敏度和分辨率高，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。
本發(fā)明提供的微型陀螺儀，由驅(qū)動層、結(jié)構(gòu)層和檢測層三者鍵合而成，驅(qū)動層位于底部，檢測層位于頂部；在驅(qū)動層與結(jié)構(gòu)層的鍵合面上，對稱放置第一微型電加熱器和第二微型電加熱器，其中，第一微型電加熱器與設(shè)置在該鍵合面上的第一、第二電加熱器電極相連，第二微型電加熱器與設(shè)置在該鍵合面上的第三、第四電加熱器電極相連；在結(jié)構(gòu)層與驅(qū)動層的鍵合面上，對稱開有第一封閉腔體和第二封閉腔體，使驅(qū)動層上的第一微型電加熱器位于第一封閉腔體內(nèi)，第二微型電加熱器位于第二封閉腔體內(nèi)；在結(jié)構(gòu)層與檢測層的鍵合面上，開有第一至第三連接孔、微流通道和第一、第二分流通道；第一、第二分流通道關(guān)于微流通道對稱，并與微流通道連通，導電流體位于微流通道中，第一連接孔連通第一封閉腔體和微流通道，第二連接孔連通第二封閉腔體和第二分流通道，第三連接孔連通第二封閉腔體和第一分流通道；在檢測層與結(jié)構(gòu)層的鍵合面上，設(shè)置有第一至第四檢測電極，第一、第二檢測電極分別位于第一分流通道的兩側(cè)，第三、第四檢測電極分別位于第二分流通道的兩側(cè)；檢測層嵌有磁性體，位于第一分流通道和第二分流通道的上方；驅(qū)動層和結(jié)構(gòu)層上分別開有第一、第二檢測電極引線窗口，第一、第二檢測電極引線窗口位于第一至第四檢測電極的下方；結(jié)構(gòu)層上開有第一至第四電加熱器電極引線窗口，檢測層上開有第五至第八電加熱器電極引線窗口，第一和第五電加熱器電極引線窗口位于第一電加熱器電極的上方，第二和第六電加熱器電極引線窗口位于第二電加熱器電極的上方，第三和第七電加熱器電極引線窗口位于第三電加熱器電極的上方，第四和第八電加熱器電極引線窗口位于第四電加熱器電極的上方。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(1)采用磁流體檢測原理，可直接獲得電壓信號，檢測精度高；(2)采用分流通道結(jié)構(gòu)，檢測角速度時，一個流量降低，一個流量增大，這種差動檢測精度是普通檢測方式的兩倍。
(3)采用熱驅(qū)動方案，不存在任何活動和振動部件，抗沖擊能力和可靠性高；(4)結(jié)構(gòu)和加工工藝簡單，適合大批量生產(chǎn)，具有可觀的應(yīng)用前景。
圖1為本發(fā)明一種實施例的整體外形結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1中驅(qū)動層的軸測圖；圖3a為圖1中結(jié)構(gòu)層的前剖視圖；圖3b為圖1中結(jié)構(gòu)層的俯視圖；圖4為圖1中檢測層的軸測圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
由圖1所示，本發(fā)明微型陀螺儀由驅(qū)動層1、結(jié)構(gòu)層2和檢測層3三者鍵合而成，驅(qū)動層1位于底部，檢測層3位于頂部，結(jié)構(gòu)層2位于驅(qū)動層1和檢測層3之間。驅(qū)動層1、結(jié)構(gòu)層2和檢測層3的材料和加工方法不限，本實例中驅(qū)動層1、結(jié)構(gòu)層2和檢測層3選用玻璃材料，采用玻璃焊料實現(xiàn)鍵合。導電流體9選用電導率高且粘度較小的水銀。
由圖2、3和4所示，在驅(qū)動層1與結(jié)構(gòu)層2的鍵合面上，對稱放置第一微型電加熱器4a和第二微型電加熱器4b，該鍵合面上還設(shè)置有第一電加熱器電極5a、第二電加熱器電極5b、第三電加熱器電極5c和第四電加熱器電極5d，第一微型電加熱器4a與第一電加熱器電極5a和第二電加熱器電極5b相連，第二微型電加熱器4b與第三電加熱器電極5c和第四電加熱器電極5d相連。
在結(jié)構(gòu)層2與驅(qū)動層1的鍵合面上，對稱開有第一封閉腔體7a和第二封閉腔體7b，使驅(qū)動層1上的第一微型電加熱器4a位于第一封閉腔體7a內(nèi)，第二微型電加熱器4b位于第二封閉腔體7b內(nèi)。為了使封閉腔體內(nèi)的氣體溫度具有較好的均勻性，第一微型電加熱器4a和第二微型電加熱器4b應(yīng)分別位于第一封閉腔體7a和第二封閉腔體7b的中心位置。
在結(jié)構(gòu)層2與檢測層3的鍵合面上，開有第一連接孔8a、第二連接孔8b、第三連接孔8c、微流通道10、第一分流通道11a和第二分流通道11b。第一分流通道11a和第二分流通道11b關(guān)于微流通道10對稱，并與微流通道10連通，導電流體水銀9在微流通道10中，第一連接孔8a連通第一封閉腔體7a和微流通道10，第二連接孔8b連通第二封閉腔體7b和第二分流通道11b，第三連接孔8c連通第二封閉腔體7b和第一分流通道11a。在檢測層3與結(jié)構(gòu)層2的鍵合面上，放置第一檢測電極14a、第二檢測電極14b、第三檢測電極15a和第四檢測電極15b，第一檢測電極14a和第二檢測電極14b分別位于第一分流通道11a的兩側(cè)，第三檢測電極15a和第四檢測電極15b分別位于第二分流通道11b的兩側(cè)。
從檢測層3的頂面嵌入磁性體13，位于第一分流通道11a和第二分流通道11b的正上方。為了獲得較高的靈敏度，磁性體13在第一分流通道11a和第二分流通道11b中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度應(yīng)當大于0.1T。驅(qū)動層1和結(jié)構(gòu)層2上分別開有第一檢測電極引線窗口6a和第二檢測電極引線窗口6b，位于第一檢測電極14a、第二檢測電極14b、第三檢測電極15a和第四檢測電極15b的正下方，結(jié)構(gòu)層2上開有第一電加熱器電極引線窗口12a、第二電加熱器電極引線窗口12b、第三電加熱器電極引線窗口12c和第四電加熱器電極引線窗口12d，檢測層3上開有第五電加熱器電極引線窗口12e、第六電加熱器電極引線窗口12f、第七電加熱器電極引線窗口12g和第八電加熱器電極引線窗口12h，第一電加熱器電極引線窗口12a和第五電加熱器電極引線窗口12e位于第一電加熱器電極5a的正上方，第二電加熱器電極引線窗口12b和第六電加熱器電極引線窗口12f位于第二電加熱器電極5b的正上方，第三電加熱器電極引線窗口12c和第七電加熱器電極引線窗口12g位于第三電加熱器電極5c的正上方，第四電加熱器電極引線窗口12d和第八電加熱器電極引線窗口12h位于第四電加熱器電極5d的正上方。
現(xiàn)在以該微型陀螺儀的一個工作周期為例，說明本發(fā)明的工作機理如下
初始狀態(tài)，導電流體水銀9位于微流通道10中，首先第一封閉腔體7a中的第一微型電加熱器4a通電加熱第一封閉腔體7a中的氣體，第二封閉腔體7b中的第二微型電加熱器4b處于斷電狀態(tài)，因此第一封閉腔體7a中的壓力大于第二封閉腔體7b中的壓力，推動導電流體水銀9向第一分流通道11a和第二分流通道11b運動。
當轉(zhuǎn)動角速度ω＝0時，導電流體水銀9運動中受到的科式力Fk＝0，由于第一分流通道11a和第二分流通道11b關(guān)于微流通道10對稱，導電流體水銀9在第一分流通道11a的流量Q1和第二分流通道11b的流量Q2相等(Q1＝Q2)，由于第一分流通道11a和第二分流通道11b的截面尺寸完全一樣，因此導電流體水銀9在第一分流通道11a的流速V1和第二分流通道11b的流速V2相等(V1＝V2)；當轉(zhuǎn)動角速度ω≠0時，導電流體水銀9運動中受到的科式力FK＝2ωV(其中，V是導電流體水銀9在微流通道10中的運動速度，F(xiàn)K的方向垂直于ω與V組成的平面)，導電流體水銀9在第一分流通道11a的流量Q1和第二分流通道11b的流量Q2不相等(Q1≠Q(mào)2)，因此導電流體水銀9在第一分流通道11a的流速V1和第二分流通道11b的流速V2不相等(V1≠V2)。
位于第一分流通道11a和第二分流通道11b正上方的磁性體13產(chǎn)生一個垂直第一分流通道11a和第二分流通道11b的強磁場，運動的導電流體水銀9切割磁力線在第一分流通道11a兩側(cè)產(chǎn)生動生電動勢E1＝BLV1(B為高磁性體13產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度，L為第一分流通道11a和第二分流通道11b的寬度)，在第二分流通道11b兩側(cè)產(chǎn)生動生電動勢E2＝BLV2，動生電動勢E1由第一檢測電極14a和第二檢測電極14b輸入檢測電路，動生電動勢E2由第三檢測電極15a和第四檢測電極15b輸入檢測電路。當轉(zhuǎn)動角速度ω＝0時，由于V1＝V2，E1＝E2；當轉(zhuǎn)動角速度ω≠0時，由于V1≠V2，E1≠E2。因此兩動生電動勢差可用下式表示ΔE＝E1-E2＝BL(V1-V2)＝BL(Q1-Q2)/s＝BLΔQ/s其中ΔQ為第一分流通道11a的流量Q1和第二分流通道11b的流量Q2差，s為第一分流通道11a和第二分流通道11b的截面積。
通過差分檢測電路檢測兩動生電動勢差ΔE就可以獲得角速度信息。
當檢測電路產(chǎn)生輸出信號后，第一封閉腔體7a中的第一微型電加熱器4a斷電冷卻，第二封閉腔體7b中的第二微型電加熱器4b通電加熱第二封閉腔體7b中的氣體，第二封閉腔體7b中的壓力大于第一封閉腔體7a中的壓力，推動導電流體水銀9從第一分流通道11a和第二分流通道11b向微流通道10運動，半周期時間以后，第一微型電加熱器4a通電加熱，第二微型電加熱器4b斷電冷卻，開始下一工作周期。
以上示意性的對發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有局限性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，采用其它形式的同類部件或其它形式的各部件布局方式，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的技術(shù)方案與實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種微型陀螺儀，其特征在于該陀螺儀由驅(qū)動層(1)、結(jié)構(gòu)層(2)和檢測層(3)三者鍵合而成，驅(qū)動層(1)位于底部，檢測層(3)位于頂部；在驅(qū)動層(1)與結(jié)構(gòu)層(2)的鍵合面上，對稱放置第一微型電加熱器(4a)和第二微型電加熱器(4b)，其中，第一微型電加熱器(4a)與設(shè)置在該鍵合面上的第一、第二電加熱器電極(5b)相連，第二微型電加熱器(4b)與設(shè)置在該鍵合面上的第三、第四電加熱器電極((5c、5d)相連；在結(jié)構(gòu)層(2)與驅(qū)動層(1)的鍵合面上，對稱開有第一封閉腔體(7a)和第二封閉腔體(7b)，使驅(qū)動層(1)上的第一微型電加熱器(4a)位于第一封閉腔體(7a)內(nèi)，第二微型電加熱器(4b)位于第二封閉腔體(7b)內(nèi)；在結(jié)構(gòu)層(2)與檢測層(3)的鍵合面上，開有第一至第三連接孔(8a、8b、8c)、微流通道(10)和第一、第二分流通道(11a、11b)；第一、第二分流通道(11a、11b)關(guān)于微流通道(10)對稱，并與微流通道(10)連通，導電流體(9)位于微流通道(10)中，第一連接孔(8a)連通第一封閉腔體(7a)和微流通道(10)，第二連接孔(8b)連通第二封閉腔體(7b)和第二分流通道(11b)，第三連接孔(8c)連通第二封閉腔體(7b)和第一分流通道(11a)；在檢測層(3)與結(jié)構(gòu)層(2)的鍵合面上，設(shè)置有第一至第四檢測電極(14a、14b、15a、15b)，第一、第二檢測電極(14a、14b)分別位于第一分流通道(11a)的兩側(cè)，第三、第四檢測電極(15a、15b)分別位于第二分流通道(11b)的兩側(cè)；檢測層(3)嵌有磁性體(13)，位于第一分流通道(11a)和第二分流通道(11b)的上方；驅(qū)動層(1)和結(jié)構(gòu)層(2)上分別開有第一、第二檢測電極引線窗口(6a、6b)，第一、第二檢測電極引線窗口(6a、6b)位于第一至第四檢測電極(14a、14b、15a、15b)的下方；結(jié)構(gòu)層(2)上開有第一至第四電加熱器電極引線窗口(12a、12b、12c、12d)，檢測層(3)上開有第五至第八電加熱器電極引線窗口(12e、12f、12g、12h)，第一和第五電加熱器電極引線窗口(12a、12e)位于第一電加熱器電極(5a)的上方，第二和第六電加熱器電極引線窗口(12b、12f)位于第二電加熱器電極(5b)的上方，第三和第七電加熱器電極引線窗口(12c、12g)位于第三電加熱器電極(5c)的上方，第四和第八電加熱器電極引線窗口(12d、12h)位于第四電加熱器電極(5d)的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型陀螺儀，其特征在于第一微型電加熱器(4a)和第二微型電加熱器(4b)分別位于第一封閉腔體(7a)和第二封閉腔體(7b)的中心位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁流體檢測原理的微型陀螺儀，由驅(qū)動層、結(jié)構(gòu)層和檢測層三者鍵合而成。驅(qū)動層上包含兩個微型電加熱器，分別位于結(jié)構(gòu)層上對應(yīng)的封閉腔體中，兩封閉腔體分別與結(jié)構(gòu)層上的微流通道和分流通道相連，并被導電流體隔斷，兩微型電加熱器交替加熱封閉腔體中的氣體，導致兩封閉腔體的壓力交替增大，實現(xiàn)導電流體在微流通道和分流通道之間周期往復(fù)運動，兩對稱布置的分流通道流量差包含角速度信息，通過磁流體原理檢測兩分流通道流量差，從而獲得角速度信息。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不存在活動和振動部件，壽命長，靈敏度和分辨率高，采用微加工技術(shù)工藝簡單，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)，具有可觀的應(yīng)用前景。
文檔編號G01C19/58GK101082492SQ20071005260
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者劉勝, 甘志銀, 羅小兵, 艾葉 申請人:華中科技大學