一種微型四通道循環(huán)流式三軸硅射流陀螺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于利用哥氏力偏轉(zhuǎn)射流敏感體檢測(cè)運(yùn)動(dòng)體角速度姿態(tài)參數(shù)的技術(shù)領(lǐng)域， 尤其是涉及一種微型四通道循環(huán)流式三軸硅射流陀螺。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，以微機(jī)械振動(dòng)陀螺為代表的微型陀螺，敏感元件是由不同結(jié)構(gòu)的振動(dòng)部件 構(gòu)成，不僅在稍高加速?zèng)_擊下容易斷裂或損壞，而且在制作過(guò)程中為了減少阻尼需要真空 封裝使得其工藝復(fù)雜，造成長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞。相比之下，射流陀螺不需要振動(dòng) 部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有能承受高過(guò)載、壽命長(zhǎng)和成本低等其它陀螺難以媲美的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范 圍更廣泛。中國(guó)專利89105999. 7提出的高靈敏度壓電射流角速度傳感器（射流陀螺的一 種），它由敏感器件的殼體、噴嘴體、敏感元件、壓電栗、栗座、碟簧、鎖緊螺母和外部電路系 統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)組成，這種一維角速度傳感器的敏感元件是用銅、鋁或不銹鋼等材料利用 傳統(tǒng)機(jī)械加工制作，敏感元件體積大，功率高，不能用于微型載體姿態(tài)測(cè)量和控制領(lǐng)域，它 的熱線是手工焊接，很難保證熱線的平行度和垂直度，因此交叉耦合大，一致性差，很難批 量生產(chǎn)，成本高。在現(xiàn)有技術(shù)中用硅片制作射流網(wǎng)絡(luò)通常采用MEMS工藝在一個(gè)硅圓片的表 面腐蝕出氣流通道，由于硅片的厚度只有500 μ m左右，因此射流網(wǎng)絡(luò)深度一定小于硅片的 厚度，因此射流網(wǎng)絡(luò)的尺度很小，氣體容量小，與熱線的熱交換少，陀螺靈敏度會(huì)很小，無(wú)法 實(shí)用化。在現(xiàn)有技術(shù)中在硅圓片上實(shí)現(xiàn)壓電栗驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)通常將壓電栗振子有效變形面 積與氣流通道的截面積相對(duì)應(yīng)，以便使壓電栗振子的變形方向（振動(dòng)方向）沿著硅圓片橫 向方向（與硅圓片表面垂直的截面積方向）與氣流通道的長(zhǎng)度方向一致，因此壓電栗振子 的大小往往小于IX 1mm，這在實(shí)際工藝中很難實(shí)現(xiàn)粘接，同時(shí)由于壓電栗振子尺寸過(guò)小，驅(qū) 動(dòng)氣體的能力弱，氣流速度小，陀螺靈敏度小。在現(xiàn)有技術(shù)中采用MEMS工藝在硅片上很難 實(shí)現(xiàn)三維熱線（熱敏電阻）的制作，同時(shí)也很難形成三維射流敏感體，因此一個(gè)微型射流陀 螺不能同時(shí)敏感三個(gè)方向的角速度，只能敏感一個(gè)方向上的角速度，如構(gòu)成多自由度測(cè)量 需要組合安裝，由安裝距離引起的誤差大，成本也高。
[0003] 因此，如何克服上述問(wèn)題成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種微型四通道循環(huán)流式三 軸硅射流陀螺，該射流陀螺用一個(gè)壓電陶瓷圓振子驅(qū)動(dòng)四通道循環(huán)流，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命 長(zhǎng)，功耗低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷圓振子變形方向和射流網(wǎng)絡(luò)平面的轉(zhuǎn)向，壓電陶瓷圓振 子的面積大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，射流速度大，射流陀螺的靈敏度高；且能同時(shí)敏感三個(gè)正交方向 (X、Y、Z)角速度，多軸一體。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種微型四通道循環(huán)流式三軸硅射流陀螺，所述射流陀螺包括四通道循環(huán)流式三 軸角速度敏感元件和PCB電路板，所述敏感元件和PCB電路板電連接，所述敏感元件包括 PMMA上蓋、上硅板、下硅板、PMMA底蓋和壓電陶瓷圓振子；其中，
[0007] 所述壓電陶瓷圓振子嵌入至所述PMMA上蓋上；所述上硅板上設(shè)置有射流網(wǎng)絡(luò)；所 述下硅板上設(shè)置有射流網(wǎng)絡(luò)和熱線；所述PMMA上蓋、上硅板、下硅板和PMMA底蓋依次粘接 構(gòu)成所述敏感元件。
[0008] 進(jìn)一步，所述PMMA上蓋的中心開(kāi)設(shè)一圓形栗槽，在所述栗槽的中心開(kāi)設(shè)一圓形栗 孔，栗槽的邊緣為一高度為PMM上蓋厚度1/4的臺(tái)階，將所述壓電陶瓷圓振子粘接在所述 臺(tái)階上。
[0009] 進(jìn)一步，所述上硅板與所述圓形栗孔對(duì)應(yīng)處開(kāi)設(shè)一形狀尺寸與圓形栗孔相同的圓 柱形栗腔，在所述栗腔圓周上等距離開(kāi)口形成四個(gè)截面為倒梯形的排氣孔，所述排氣孔的 末端為四個(gè)排氣口；所述排氣口外設(shè)置一圓環(huán)形排氣室；以所述排氣室的圓心為中心，在 圓環(huán)形排氣室的圓周上放射狀交替均勻開(kāi)設(shè)兩組共八個(gè)長(zhǎng)方形孔；其中，四個(gè)所述排氣孔 對(duì)應(yīng)四個(gè)集流槽；與四個(gè)所述集流槽相鄰的是四個(gè)上敏感射流孔，所述上敏感射流孔的始 端與所述排氣室相通；所述集流槽的末端和所述上敏感射流孔的末端由圓環(huán)形回流槽連 通。
[0010] 進(jìn)一步，所述集流槽與所述排氣室相通處做倒梯形過(guò)渡，與所述排氣口對(duì)應(yīng)，并在 所述梯形過(guò)渡的短邊擴(kuò)張形成四個(gè)正方形的儲(chǔ)氣井，所述儲(chǔ)氣井的邊長(zhǎng)為倒梯形過(guò)渡的長(zhǎng) 邊，所述集流槽的末端的寬度大于集流槽始端的寬度；所述上敏感射流孔的起始端寬度為 所述集流槽的4倍，上射流敏感孔的寬度沿其軸線逐漸加大，在上射流敏感孔的長(zhǎng)度為集 流槽長(zhǎng)度的3/5處做一倒梯形過(guò)渡，所述倒梯形的短邊的寬度與所述排氣室的寬度一致， 短邊向所述圓環(huán)形回流槽延伸形成四個(gè)長(zhǎng)方形噴嘴孔，所述長(zhǎng)方形噴嘴孔的長(zhǎng)度為上敏感 射流孔長(zhǎng)度的1/10。
[0011] 進(jìn)一步，所述下硅板上開(kāi)設(shè)與所述上硅板上的四個(gè)上射流敏感孔位置相互對(duì)應(yīng)、 大小形狀完全相同的四個(gè)下敏感射流孔，在下硅板的表面設(shè)置六對(duì)平行熱線，所述六對(duì)平 行熱線用于敏感X、y、Z三個(gè)方向角速度；所述上硅板和下硅板粘接以后形成的氣體空間為 射流網(wǎng)絡(luò)，粘接上所述PMMA上蓋和所述PMMA底蓋后構(gòu)成封閉的射流網(wǎng)絡(luò)；所述栗腔、栗孔 和栗槽構(gòu)成栗室。
[0012] 進(jìn)一步，所述射流網(wǎng)絡(luò)由所述栗室、四個(gè)排氣口、排氣室、四個(gè)集流槽的始端的進(jìn) 口、儲(chǔ)氣井、圓環(huán)形回流槽、四個(gè)噴嘴孔末端的噴嘴口、四個(gè)上敏感射流孔和四個(gè)下敏感射 流孔組成的四個(gè)射流敏感室A、B、C、D以及所述射流敏感室A、B、C、D的末端的出口構(gòu)成。
[0013] 進(jìn)一步，敏感X方向角速度的一對(duì)平行熱線分別設(shè)置在兩個(gè)對(duì)稱的射流敏感室B、 D的兩端的下硅板表面；敏感y方向角速度的一對(duì)平行熱線分別設(shè)置與射流敏感室B、D正 交的兩個(gè)對(duì)稱的射流敏感室A、C內(nèi)的下硅板表面；敏感z方向角速度的四對(duì)平行熱線分別 設(shè)置在射流敏感室A、B、C、D中間處的下硅板的表面，并與射流敏感室A、B、C、D的軸線平 行。
[0014] 進(jìn)一步，所述壓電陶瓷圓振子的激勵(lì)電壓由所述PCB電路板上的壓電栗驅(qū)動(dòng)電路 提供。
[0015] 進(jìn)一步，所述熱線由高溫度系數(shù)的金屬鉑、Si02和Si構(gòu)成，所述下硅板的邊緣被 覆電極，所述PMMA上蓋和上硅板開(kāi)相應(yīng)的開(kāi)口以便露出下硅板的電極，便于與PCB電路板 實(shí)現(xiàn)電氣連接。
[0016] 進(jìn)一步，所述PMMA上蓋和PMMA底蓋利用PMMA薄板采用高精度數(shù)控機(jī)床加工工藝 制作，所述上娃板和下娃板采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝制作。
[0017] 本發(fā)明具有以下積極的技術(shù)效果：
[0018] (1)能同時(shí)敏感三個(gè)正交方向（X、Y、Z)角速度，多軸一體。
[0019] (2)用一個(gè)壓電陶瓷圓振子驅(qū)動(dòng)四通道循環(huán)流，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，功耗低，同 時(shí)實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷圓振子變形方向和射流網(wǎng)絡(luò)平面的轉(zhuǎn)向，壓電陶瓷圓振子的面積大，驅(qū) 動(dòng)能力強(qiáng)，射流速度大，射流陀螺的靈敏度高。
[0020] (3)采用的光刻技術(shù)能保證敏感元件中熱線的正交性和垂直度，交叉耦合小，一致 性好。
[0021] (4)上下硅板鍵合為射流網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有熱應(yīng)力的失配產(chǎn)生的蠕變，射流陀螺的長(zhǎng)期穩(wěn) 定性好。
[0022] (5)直接用壓電片陶瓷圓片驅(qū)動(dòng)氣流，無(wú)需額外的振膜，封裝和粘貼時(shí)不易損壞， 降低了封裝難度，可提高陀螺的成品率和使用壽命，傳感器的可靠性高。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本申請(qǐng)的立體圖；
[0024] 圖2為本申請(qǐng)的敏感元件的分體狀態(tài)的立體圖；
[0025] 圖3為本申請(qǐng)的PMMA上蓋的立體圖；
[0026] 圖4為本申請(qǐng)的上硅板的立體圖；
[0027] 圖5為本申請(qǐng)的下硅板的立體圖；
[0028] 圖6為本申請(qǐng)的信號(hào)處理電路的示意圖；
[0029] 圖7為本申請(qǐng)的惠斯登電橋的示意圖；
[0030] 圖8為本申請(qǐng)的微型四通道循環(huán)流式三軸硅射流陀螺的靈敏度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面，參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說(shuō)明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施 例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施 例。而是，提供這些實(shí)施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
[0032] 為了易于說(shuō)明，在這里可以使用諸如"上"、"下""左""右"等空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，用于 說(shuō)明圖中示出的一個(gè)元件或特征相對(duì)于另一個(gè)元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，除了圖 中示出的方位之外，空間術(shù)語(yǔ)意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中 的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征"下"的元件將定位在其他元件或特征"上"。 因此，示例性術(shù)語(yǔ)"下"可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位（旋轉(zhuǎn)90度