[发明专利]基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及仿生角速度传感器，具体是一种基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。

背景技术

蜜蜂类昆虫的后翅经过若干年的蜕化形成了作为机械传感器的平衡棒，平衡棒包括毛状感受器、钟状感受器和弦音器官；昆虫飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，当昆虫自身的姿态发生变化时，平衡棒就会因受到哥氏力而发生侧弯，平衡棒根部的神经细胞会将感受到的哥氏力信息解调后传递给大脑，进行导航控制；总的来说平衡棒就是某些昆虫保持身体平衡的导航仪。

在仿生学不断为工程科学提供创新的源泉时，人们也对昆虫平衡棒进行了仿生研究，利用平衡棒导航的原理成功研制出振动式陀螺仪，这种仪器已经应用于火箭和高速飞机上并实现了自动驾驶；美国专利US_7107842B2中Wei-Chung Wu等人也利用昆虫平衡棒的原理设计了一种由钢材料的四连杆、钢材料加工的小型平衡棒结构、以及贴在平衡棒结构上用来检测哥氏力的应变片组成的微机电平衡棒角速度传感器（Angular rate sensor using micro_electromechanical haltere），并将其应用在机器果蝇MFI（微型机械飞行昆虫）上，实现了对果蝇MFI的导航功能。

随着微型飞行器的发展对导航传感器提出了更高的要求，即传感器尺寸小、功耗低、以及可集成化。目前的仿生平衡棒振动式陀螺仪只能检测单一方向上的角速度，若要对三维方向上的角速度检测，需要与其他陀螺仪进行组合导航，这样会增加整个导航系统的体积以及复杂性，不适用于微型飞行器；而对于微机电平衡棒角速度传感器，虽然结构较小，但是使用时需要将两个传感器对称安装于导航系统两侧，这样使得导航系统体积增加且不便与电源模块、信号处理模块等进行集成，这些都距离真正的微型化还有一定的距离。

发明内容

本发明为了解决现有仿生角速度传感器体积大、检测维数单一、不便集成的问题，提供了一种基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器，包括由有机玻璃制成且上下底面为等腰三角形的三棱柱支架，三棱柱支架边长相等的两侧面上均粘结有平衡棒结构；平衡棒结构包括空心框体、位于水平方向上的两个检测梁、以及位于垂直方向上的两个前宽后窄的驱动梁；两个检测梁的一端对称固定于空心框体的相对边上而两个驱动梁的宽端对称固定于空心框体的另两边上，两个检测梁的另一端、两个驱动梁的窄端一起固定在空心框体的中心形成中心柱体；在两个驱动梁上靠近空心框体的部分均依次生长有由Ti/Pt下电极层、PZT（锆钛酸铅）压电层、以及Ti/Pt上电极层组成的压电膜层和Si₃N₄绝缘层，Si₃N₄绝缘层上开有与Ti/Pt下电极层相通的下引线孔、以及与Ti/Pt上电极层相通的上引线孔；两个检测梁上均固定有阻值为2-3kΩ的P型压阻条；空心框体的各边上均设有两个铝焊盘，与检测梁相连的空心框体两边上的铝焊盘通过铝引线与P型压阻条的两端相连，与驱动梁相连的空心框体两边上的铝焊盘通过铝引线分别经上引线孔、下引线孔与Ti/Pt上电极层、Ti/Pt下电极层相连。

上述基于蜜蜂平衡棒的仿生三维角速度传感器的制备方法，包括如下步骤：

（一）、两个平衡棒结构的制备，每个平衡棒结构的制备方法包括如下步骤：

步骤1、取厚度为350um的N型【100】双抛硅片，用RCA工艺清洗后对N型【100】双抛硅片双面热氧化厚度为500nm的Si0₂氧化层；在N型【100】双抛硅片的背面利用光刻工艺形成框体图形区，用氢氟酸湿法漂去N型【100】双抛硅片背面除框体图形区外的Si0₂氧化层，用深层粒子刻蚀工艺刻蚀框体图形区得到位于框体图形区外的空心框体、以及位于框体图形区内的中心柱体；