MEMS流体陀螺的研究进展

引  言

MEMS技术的发展使得惯性技术领域正在经历一场深刻的变化。惯性传感器是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器，包括加速度计和陀螺。人们早就利用它们进行轮船、飞机和航天器的导航，近些年来人们又把这项技术用于汽车的控制、自动驾驶和导弹的制导等领域。但是传统的惯性传感器由于体积大、重量重、成本高等原因，极大地限制了它们的应用。在这种背景下，以微电子机械系统为基础的微机械惯性传感器逐渐发展起来，其中微陀螺在惯性导航系统如航空航天和航海事业中发挥着越来越重要的作用。除了传统的机械式振动陀螺外，各种新型陀螺也层出不穷，如静电支撑陀螺、磁支撑陀螺、微流体陀螺、超导陀螺等，这些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的优势，下面就流体陀螺的研究和发展应用前景进行介绍。

1  各种流体陀螺简介

流体类陀螺仪与传统陀螺仪相比，由于没有悬挂质量块，结构大大简化，制作难度降低，更重要的是，省去了复杂的活动部件，其抗冲击、抗振动能力大大提高，特别适合在高冲击、高振动环境下使用。

流体陀螺的基本原理主要有两种：一种是在外界的控制下流体本身产生角动量，流体作为常规的转子，形成测量外界角速度的角动量，当外界有角速度输入时，利用转动流体与壳体的相对运动来产生敏感变化的输出信号。另一种则是利用流体系统的科氏加速度来产生敏感变化的输出信号。

1.1  气体对流陀螺

图1是由清华大学设计、中国电子集团第13研究所加工而成的微流体陀螺仪。它是利用气体流速方向在哥氏加速度作用下发生偏转的原理，采用微机械加工工艺制作的。此微流体传感器由隔热腔体、加热器和两对对称的温度传感器构成。加热器和温度传感器悬在腔体上面。加热器加热使其周围的气体温度升高，密度减小。在重力加速度的作用下，腔体内的气体发生对流。位于加热器相等距离上的一对温度传感器用来测量加热器两边的温差。器件封装在密封的隔热管壳内，防止外部气流和温度对器件的影响。敏感方向无哥氏加速度时，腔体内的加热气体只在重力加速度的作用下发生对流，如加热器水平方向上两边相等位置上的温度相等，两对温度传感器的输出相等。敏感方向上有哥氏加速度时，腔体内的气体在重力加速度和外加角速度的联合作用下交替膨胀，加热器水平两边相等位置上出现温度差，两对温度传感器的输出就产生差异。若两对温度传感器采用热敏电阻，可与外接的两对参考电阻构成电阻电桥，这样通过电桥的输出电压信号变化便可以测量出外界输入角速度的值。



1.2  射流微陀螺

射流气体陀螺是利用强迫对流气体的气流束(层流)和敏感元件的热阻效应来测量角速率的。目前，采用MEMS技术制作的射流微陀螺并不多。报道的射流气体微陀螺主要由压电驱动泵、循环气流通道及腔室、微喷嘴和热敏元件等组成。它结构简单，无活动检测质量，抗过载能力强，成本低，寿命长。它是在哥氏力定理基础上发明出来的，它通过压电泵驱动气体循环，当陀螺有角速度信号输入时，利用哥氏力使循环气流束偏转来实现角参数的测量。循环气流是由压电泵激励而产生的气体层流束(射流)，信号由两根平行的热敏丝R1，R2敏感。当输入角速度为∞时，由于哥氏力的作用，射流束偏离原来所在的射腔的中心位置(见图2)，偏离的角度和方向决定于输入角速度，这样通过测量外围电路电压的变化便可测量出相应的加速度值。



传统陀螺是利用高速转子的定轴性和进动性敏感角速度，而射流陀螺是利用气流束在惯性力作用下发生偏转敏感角速度。由于气体的质量很小，没有转动部件，故压电射流陀螺能承受高冲击，并有寿命长、成本低等其他陀螺不可媲美的优点。压电射流陀螺可用于导弹、飞机、舰船、工业自动化和机器人等技术领域，是测量和控制角速度、角加速度和角度等角参数的关键部件。它也是末制导炮弹和机器人姿态控制不可缺少的惯性器件。

1.3  ECF流体陀螺

ECF(electro-conjugate fluid)流体是一种新型的流体材料，当在流体两端的电极上加上几千伏的电压时，ECF流体可以产生很强的流动，利用ECF流体的这种特性可以制作基于ECF的流体陀螺。由日本东京工业大学制作的这种流体陀螺如图3所示，其基本原理如下：在容器内部充满ECF液体，当在如图3所示的电极上加上上千伏的电压时，便会产生很强的ECF液体冲击流，并往图3(a)所示方向流动。当给陀螺如图3(b)所示以顺时针方向旋转的角速度时，ECF的流动便向左边偏移，左右流体的流动变化使得顶部的热阻阻值发生变化，进而可以检测出外部的电压值的变化，通过测量外部电压的变化便可以测量出外界输入角速度的值。



ECF流体所具有的特性为流体陀螺的研究开拓了新的途径，但是ECF流体陀螺所用的高电压却可能限制它的应用场合，设法寻找新的ECF材料或采取其它途径来降低所用的电压值是ECF流体陀螺扩大应用场合的关键。

1.4  超流体陀螺

对于超流体陀螺(super fluid gyroscope)的研究是基于一种低温物理效应一超流体开展的。采用超流体的陀螺。其工作原理设计、可行性验证以及精度等级的确定等方面都需要进行大量探索性的理论研究和实验分析。但因为超流体独特的物理特性对于保持惯性有着良好的潜力，研究者们正在积极开展相关工作，发展基于超流体的惯性陀螺仪。由于超流体流动基本上可以认为没有阻力，当承载容器与其发生切向运动时，超流体不会像通常的流体一样由于液体的粘性力发生随动，而是保持原来的状态。也就是说低阻使之对于转动可能呈现出非常良好的惯性。这样超流体与承载容器间就出现了相对流动，检测这个运动速度或它的某种放大量就可以获得转动速度的信息。

由于超流体的粘滞系数很低，流体间以及流体对周围运动的阻尼很小，具有很好的惯性，而惯性导航系统对陀螺的要求正是需要其保持良好的惯性系。利用超流体效应检测角速度，在原理上具有远远高于常规陀螺的性能潜力，适用于各类需要高精度陀螺的场合。不过，由于该方向的研究刚刚展开，不成熟的环节还较多，如何将原理与实际的应用相结合，探寻更有效的高精度方案，完善配套技术以降低制造成本、缩小体积重量都是有待进一步研究的问题。

2  结  语

本文根据微流体陀螺的不同原理介绍了几种常见的MEMS微流体陀螺，并对它们的基本原理、优缺点和应用前景进行了简单的介绍，这几种MEMS微流体陀螺都具有体积小、重量轻、成本低和抗高冲击等独特优点，使得它们都较适合应用在惯性导航、自动控制等相关领域，因而具有广阔的应用前景，随着微机电技术的发展和新型材料的应用，流体陀螺的种类将进一步多样化，微流体陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用。