基于气流转子的六自由度MEMS惯性传感器研究

This project proposes and researches a novel vortex multi-axis inertial sensor, which can detect three components of angular rate and three components of linear acceleration simultaneously. It uses a vortex gas flow instead of the traditional linear gas flow as the inertial mass to detect the angular rate and linear acceleration. In the implementation,the vortex will be formed by jetting the gas into a round chamber through two opposing nozzle orifices in the opposite direction. And the multi-axis detection is realized by a proper configuration of thermistors. Considering its 6-Dof inertial measurement capbility in such a a feasible process,it will be a very promising technology to withstand the high shock in some harsh applications.

本项目提出了一种基于气流转子来实现六自由度惯性测量的新型MEMS惯性传感器。其基本原理是通过合成射流器喷出的气体形成一个气流转子，该气流转子具有传统机械转子所具有的定轴性和进动性，当外界有垂直于或平行于气体转子转轴的角速度或加速度输入时，与壳体固定的热敏电阻丝就会与气流转子产生一个相对的运动引起热敏电阻丝电阻的变化，通过该阻值的变化，就可以确定外界输入的角速度或加速度。该传感器消除了振子陀螺的正交耦合误差，能够同时敏感3个方向的角速率与3个方向的线加速度，是当前所有MEMS惯性传感器中多轴测量之最。同时气流转子实现简单、抗冲击性好、制作工艺简单，所提出的新原理陀螺仪是一项很有前景的MEMS惯性传感器。

本项目设计研制出国际上首个基于气流转子的新型六自由度MEMS惯性传感器，基于热阻效应，利用气流转子在惯性力作用下的径向变形与线移动来分别检测三轴角速率与三轴线加速度。在此基础上，采用电阻丝代替微泵，优化设计出国际上首个三轴热膨胀流惯性传感器，可以同时敏感面外Z轴角速度与面内X/Y两轴加速度。测试表明陀螺的测量范围可达到3600o/s，根据计算其敏感元件的抗冲击能力极限达到230万g，该工作为实现低成本、高抗冲击性的MEMS惯性传感器提供了一种新的研究方案。研究工作发表在JMEMS、IEEE Sensors Journal等领域顶级期刊上与IEEE MEMS、Transducers、IEEE Sensors等领域顶级会议上，并得到包括中国微米纳米技术学会理事长在内的同行好评。申请国家发明专利7项，授权4项，已毕业博士研究生1名、硕士研究生6名。