專利名稱：利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)(MEMS)領(lǐng)域的微陀螺，具體地說，涉及的 是一種利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺儀。
背景技術(shù)：
MEMS器件具有微小化、低成本、低能耗、可批量化的特點(diǎn)，近年來，各國 的學(xué)者、工程師嘗試設(shè)計(jì)和制造懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺。在過去的二十多年的時 間里，國內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細(xì)加工技術(shù)或者體微細(xì)加工技術(shù)加工出了很多種振 動陀螺，但由于種種原因微振動陀螺很難達(dá)到傳統(tǒng)陀螺的高精度。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為200410018015.7，名稱為 利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺。該陀螺提出了靜電懸浮轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)和利用電荷弛豫驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。根據(jù)上下定子電容檢測獲得轉(zhuǎn)子的軸向 位置，通過軸向懸浮電極上施加電壓，利用上下定子軸向懸浮電極和轉(zhuǎn)子之間的 靜電力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸向懸??；同時，在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓，利用異步 電動機(jī)原理使轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。其不足之處為靜電懸浮不能自穩(wěn)控制，需要復(fù)雜 的多路解耦控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種利用電磁懸浮和電荷弛 豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，能自穩(wěn)控制，且有側(cè)向穩(wěn)定電極。利用電荷 弛豫使轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子為圓環(huán)狀，不需要設(shè)置電極，加工便利，結(jié)構(gòu)和控 制簡單；通過設(shè)置雙重懸浮穩(wěn)定線圈實(shí)現(xiàn)微轉(zhuǎn)子自穩(wěn)懸浮，徑向懸浮檢測電極進(jìn) 一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮剛度，軸向懸浮檢測電極進(jìn)一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子 的軸向穩(wěn)定懸浮剛度。解決了背景技術(shù)中不能自穩(wěn)懸浮的不足。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括上定子、上定子、周邊結(jié) 構(gòu)、微轉(zhuǎn)子，上定子、上定子上下設(shè)置，上定子、上定子和周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一 個籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)設(shè)置在微轉(zhuǎn)子周圍，微轉(zhuǎn)子置于籠式結(jié)構(gòu)中間，上定子包 括旋轉(zhuǎn)電極、第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、軸向懸浮檢測電極和公共電極，上定 子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定 線圈內(nèi)圈、上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極、上定子旋轉(zhuǎn)電極、上定 子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈，上定子第一個懸 浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈 內(nèi)圈、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈共同構(gòu)成上定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為 帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上，每一 個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周上，且彼 此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定 子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子公共電極是一個連續(xù)的導(dǎo)電圓 環(huán)，上定子旋轉(zhuǎn)電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán) 的最大外徑小于微轉(zhuǎn)子的最大外徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于 微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定 子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線 圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子和下定子結(jié)構(gòu)相同，垂直對應(yīng)。
定子的功能有兩個， 一是旋轉(zhuǎn)功能，在其表面形成旋轉(zhuǎn)電壓行波，在轉(zhuǎn)子的 電荷弛豫層感應(yīng)出滯后的電壓行波，從而帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)；一是實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)懸浮、 位置檢測和加矩穩(wěn)定，而軸向懸浮檢測電極進(jìn)一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子的軸向懸浮剛 度。周邊結(jié)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)徑向電容檢測，并進(jìn)一步增強(qiáng)徑向懸浮剛度。
所述的微轉(zhuǎn)子是五層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，分別為環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn) 子下表面電荷弛豫層，上絕緣層、下絕緣層，支撐層，支撐層位于中間，上表面 電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層分別通過上絕緣層、下絕緣層與支撐層 相連。
所述的微轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層采用注硼慘雜多晶 硅材料，上絕緣層、下絕緣層采用Si02材料，支撐層采用Si材料。
所述的周邊結(jié)構(gòu)是一個圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向 懸浮檢測電極，同一徑向的外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向懸浮檢測電極位于 以平衡位置時轉(zhuǎn)子中心為圓心的同一扇形區(qū)內(nèi)。徑向懸浮檢測電極分別位于微轉(zhuǎn) 子的圓環(huán)內(nèi)側(cè)和外側(cè)，外圍徑向懸浮檢測電極有八個電極組成，內(nèi)圍徑向懸浮檢測電極有八個電極組成。這八個電極分別可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)徑向懸浮剛度和徑向檢測 的功能。為了保證整個器件的性能，可采用真空封裝。
本發(fā)明不僅具有能夠自穩(wěn)的設(shè)置第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個懸浮穩(wěn) 定線圈外圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈和環(huán)形轉(zhuǎn)子， 而且具有軸向和徑向兩個懸浮設(shè)置，多個懸浮設(shè)置可以相互補(bǔ)充，提高陀螺整體 懸浮剛度和效果。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子懸浮第一個懸浮線圈外圈、第一個懸浮線圈內(nèi)圈、第二個懸 浮線圈外圈、第二個懸浮線圈內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)。通過在四個線 圈上同時施加特定的交流電產(chǎn)生出磁場，與環(huán)形轉(zhuǎn)子交互作用，才能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)懸 浮。具體為在第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上加交流電，在第一個懸浮穩(wěn)定線圈外 圈上加相同頻率、幅值相等、相位相差180度的交流電；在第二個懸浮穩(wěn)定線圈 內(nèi)圈上施加交流電，在第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上加相同頻率，幅值相等，相位 相差180度的交流電，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。根據(jù)電磁場效應(yīng)，在微轉(zhuǎn)子上感應(yīng) 出的電磁力使得微轉(zhuǎn)子得以懸浮。通過設(shè)置徑向懸浮檢測電極進(jìn)一步增強(qiáng)了環(huán)形 轉(zhuǎn)子的徑向懸浮剛度，通過設(shè)置軸向懸浮檢測電極進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)形微轉(zhuǎn)子軸向懸 浮剛度，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時，在徑向電極對上施加電壓實(shí)現(xiàn)懸浮。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓脈沖，在定子表面形成旋 轉(zhuǎn)電壓行波，由于電荷弛豫作用，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出滯后的電壓行波，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn) 子恒高速轉(zhuǎn)動。屬于異步電動機(jī)工作原理，不需要位置檢測和反饋回路。
本發(fā)明位置檢測徑向位置是通過提取徑向懸浮檢測電極和環(huán)形轉(zhuǎn)子之間的 電容值來實(shí)現(xiàn)的。軸向位置檢測是通過提取上下定子軸向懸浮檢測電極與環(huán)形轉(zhuǎn) 子之間的電容值來實(shí)現(xiàn)的。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果結(jié)構(gòu)簡單，利用電荷弛豫原 理，通過定子表面旋轉(zhuǎn)電壓行波，在轉(zhuǎn)子感應(yīng)出滯后的電壓行波，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)子 恒高速轉(zhuǎn)動，不需要轉(zhuǎn)速檢測即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動。通過雙重懸浮線圈實(shí)現(xiàn)環(huán) 形轉(zhuǎn)子的自穩(wěn)定懸浮。徑向懸浮檢測電極進(jìn)一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮剛 度，軸向懸浮檢測電極進(jìn)一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定懸浮剛度。整個器件采用 MEMS微加工技術(shù)制成，易于實(shí)施。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低 功耗的特點(diǎn)。


圖l本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明上定子結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3本發(fā)明周邊結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖5本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)的說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 限于下述的實(shí)施例。
如圖l、 2所示，本實(shí)施例包括上定子l、下定子4、周邊結(jié)構(gòu)2、微轉(zhuǎn)子
3，上定子l、下定子4上下設(shè)置，上定子l、下定子4和周邊結(jié)構(gòu)2相連構(gòu)成一 個籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)2設(shè)置在微轉(zhuǎn)子3周圍，微轉(zhuǎn)子3置于籠式結(jié)構(gòu)中間，上 定子包括上定子旋轉(zhuǎn)電極、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個懸 浮穩(wěn)定線圈外圈7、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個懸浮穩(wěn)定 線圈外圈5、上定子軸向懸浮檢測電極和上定子公共電極9，
上定子l從內(nèi)到外，依次是上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第 一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈7、上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極9、上定 子旋轉(zhuǎn)電極、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi) 圈5，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7， 上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈5共同構(gòu)成 上定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以 上定子1中心為圓心的圓上，每一個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以 下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，以某一塊為起始設(shè)為A相，則按 順時針方向與之相鄰的旋轉(zhuǎn)電極為B、 C，接著繼續(xù)以"A、 B、 C"循環(huán)，上定子 軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周 上，且彼此間隔相等，上定子公共電極9是一個連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)，上定子旋轉(zhuǎn)電 極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子3的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán)的最大外徑小于 微轉(zhuǎn)子3的最大外徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑，上定子第二 個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子3的外徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈 外圈5的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的外徑，上定子1和下定子4結(jié)構(gòu)相同，垂直對應(yīng)。
如圖2所示，上定子1的旋轉(zhuǎn)電極是包括上定子第一旋轉(zhuǎn)電極18、上定 子第二旋轉(zhuǎn)電極19、上定子第三旋轉(zhuǎn)電極20、上定子第四旋轉(zhuǎn)電極21、上定子 第五旋轉(zhuǎn)電極22、上定子第六旋轉(zhuǎn)電極23、上定子第七旋轉(zhuǎn)電極24、上定子第 八旋轉(zhuǎn)電極25、上定子第九旋轉(zhuǎn)電極26、上定子第十旋轉(zhuǎn)電極27、上定子第十 一旋轉(zhuǎn)電極28、上定子第十二旋轉(zhuǎn)電極29，每一個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形， 均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，以某一塊為起始 設(shè)為A相，則按順時針方向與之相鄰的旋轉(zhuǎn)電極為B、 C，接著繼續(xù)以"A、 B、 C"循環(huán)；上定子旋轉(zhuǎn)電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子3的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電 極圓環(huán)的最大外徑小于微轉(zhuǎn)子3的最大外徑。
上定子軸向懸浮檢測電極包括上定子軸向第一懸浮檢測電極10、上定子 軸向第二懸浮檢測電極ll、上定子軸向第三懸浮檢測電極12、上定子軸向第四 懸浮檢測電極13、上定子軸向第五懸浮檢測電極14、上定子軸向第六懸浮檢測 電極15、上定子軸向第七懸浮檢測電極16、上定子軸向第八懸浮檢測電極17， 上定子軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心 的圓周上，且彼此間隔相等。
如圖5所示，下定子4是由下定子第一旋轉(zhuǎn)電極64、下定子第二旋轉(zhuǎn)電極 65、下定子第三旋轉(zhuǎn)電極66、下定子第四旋轉(zhuǎn)電極67、下定子第五旋轉(zhuǎn)電極68、 下定子第六旋轉(zhuǎn)電極69、下定子第七旋轉(zhuǎn)電極70、下定子第八旋轉(zhuǎn)電極71、下 定子第九旋轉(zhuǎn)電極72、下定子第十旋轉(zhuǎn)電極73、下定子第十一旋轉(zhuǎn)電極74、下 定子第十二旋轉(zhuǎn)電極75，下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸 浮穩(wěn)定線圈外圈53，下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下定子第二個懸浮穩(wěn) 定線圈外圈51，下定子第一懸浮檢測電極56、下定子軸向第二懸浮檢測電極57、 下定子軸向第三懸浮檢測電極58、下定子軸向第四懸浮檢測電極59、下定子軸 向第五懸浮檢測電極60、下定子軸向第六懸浮檢測電極61、下定子軸向第七懸 浮檢測電極62、下定子軸向第八懸浮檢測電極63和下定子公共電極55構(gòu)成。
他們之間的連接關(guān)系是下定子4從內(nèi)到外，依次是下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈53、下定子軸向懸浮檢測電極、 下定子公共電極55、下定子旋轉(zhuǎn)電極、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下 定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈51。
下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈53， 下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈51共同構(gòu) 成下定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在 以下定子中心為圓心的圓上；每一個下定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以 下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，以某一塊為起始設(shè)為A相，則按 順時針方向與之相鄰的旋轉(zhuǎn)電極為B、 C，接著繼續(xù)以"A、 B、 C"循環(huán)；下定子 軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周 上，且彼此間隔相等；下定子公共電極55是一個連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)；下定子旋轉(zhuǎn) 電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子3的最小內(nèi)徑，而下定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán)的最大外徑小 于微轉(zhuǎn)子3的最大外徑。下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子 的內(nèi)徑，下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈53的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑；下定 子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子3的外徑，下定子第二個懸浮 穩(wěn)定線圈外圈51的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的外徑。
假設(shè)參考坐標(biāo)系如下x軸平行于以上定子第二軸向懸浮檢測電極11和上 定子第三軸向懸浮檢測電極12的中線，y軸平行于以上定子第四軸向懸浮穩(wěn)定 電極13和上定子第五軸向懸浮穩(wěn)定電極14的中線，z軸垂直于x和y軸。原點(diǎn) 是當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子位于平衡位置時的幾何中心點(diǎn)。
上定子1結(jié)構(gòu)和下定子4結(jié)構(gòu)在空間上是垂直對應(yīng)的，即上定子1結(jié)構(gòu)沿z 軸在下定子4上的投影是重合的。具體為上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7 沿z軸在下定子4上的投影與下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈53是重合的，上 定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8沿z軸在下定子上的投影與下定子第一個懸浮穩(wěn) 定線圈內(nèi)圈54是重合的。依次類推，上定子1其他結(jié)構(gòu)沿z軸在下定子4上的 投影與下定子4其他結(jié)構(gòu)是重合的。
如圖3所示，微轉(zhuǎn)子3是五層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，分別為環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層 46、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層50，上絕緣層48、下絕緣層49，支撐層47，支 撐層47位于中間，上表面電荷弛豫層46、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層50分別通過上絕緣層48、下絕緣層49與支撐層47相連。
微轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層46、轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層50采用注硼摻雜多晶 硅材料，上絕緣層48、下絕緣層49采用Si02材料，支撐層47采用Si材料。
如圖4所示，周邊結(jié)構(gòu)2是一個圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括外圍徑向懸浮檢測電極和 內(nèi)圍徑向懸浮檢測電極，同一徑向的外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向懸浮檢測 電極位于以平衡位置時轉(zhuǎn)子中心為圓心的同一扇形區(qū)內(nèi)。
外圍徑向懸浮檢測電極包括外圍第一徑向懸浮檢測電極30、外圍第二徑 向懸浮檢測電極31、外圍第三徑向懸浮檢測電極32、外圍第四徑向懸浮檢測電 極33、外圍第五徑向懸浮檢測電極34、外圍第六徑向懸浮檢測電極35、外圍第 七徑向懸浮檢測電極36、外圍第八徑向懸浮檢測電極37;內(nèi)圍徑向懸浮檢測電 極包括內(nèi)圍第一徑向懸浮檢測電極45、內(nèi)圍第二徑向懸浮檢測電極38、內(nèi)圍 第三徑向懸浮檢測電極39、內(nèi)圍第四徑向懸浮檢測電極40、內(nèi)圍第五徑向懸浮 檢測電極41、內(nèi)圍第六徑向懸浮檢測電極42、內(nèi)圍第七徑向懸浮檢測電極43、 內(nèi)圍第八徑向懸浮檢測電極44。這些徑向懸浮檢測電極可以進(jìn)一步增強(qiáng)徑向的 懸浮剛度、實(shí)現(xiàn)電容檢測。
自穩(wěn)懸浮技術(shù)是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上 定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第 二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈5組成上定子自穩(wěn)懸浮穩(wěn)定線圈。該陀螺工作時，在上定 子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7上通幅值相同， 頻率相等，相位相差180度的交流電，同時在上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、 上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈5上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的 交流電；在下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外 圈53上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的交流電，同時在下定子第二 個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈51上通幅值相同，頻 率相等，相位相差180度的交流電。根據(jù)電磁場理論，處于線圈中的微轉(zhuǎn)子3 會受到感應(yīng)電磁力的作用，最終得到穩(wěn)定的懸浮。另外，軸向懸浮檢測電極可進(jìn) 一步增強(qiáng)了本發(fā)明的軸向懸浮剛度。
徑向懸浮通過徑向懸浮檢測電極來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時，在相應(yīng)的 徑向電極上施加直流電壓可進(jìn)一步增強(qiáng)徑向懸浮剛度，具體為若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸正向移動，即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向內(nèi)圍第一徑向懸浮檢測電極45和內(nèi)圍第二徑向 懸浮檢測電極38方向運(yùn)動時，則在外圍第一徑向懸浮檢測電極30、外圍第二徑 向懸浮檢測電極31上施加幅值相等，極性相反的直流電壓，在內(nèi)圍第五徑向懸 浮檢測電極41、內(nèi)圍第六徑向懸浮檢測電極42也施加幅值相等，極性相反的直
流電壓，即可把轉(zhuǎn)子拉回到平衡位置。轉(zhuǎn)子沿X軸負(fù)向發(fā)生移動，可依此類推；
若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸正向發(fā)生移動，即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向內(nèi)圍第三徑向懸浮檢測電極 39和內(nèi)圍第四徑向懸浮檢測電極40方向運(yùn)動時，則在外圍第三徑向懸浮檢測電 極32、外圍第四徑向懸浮檢測電極33上施加幅值相等，極性相反的直流電壓， 在內(nèi)圍第七徑向懸浮檢測電極43、內(nèi)圍第八徑向懸浮檢測電極44也施加幅值相 等，極性相反的直流電壓，即可把轉(zhuǎn)子拉回到平衡位置。轉(zhuǎn)子沿y軸負(fù)向發(fā)生移 動，可依此類推。
本陀螺的旋轉(zhuǎn)是通過電荷弛豫作用實(shí)現(xiàn)的。在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓 脈沖，在定子表面形成旋轉(zhuǎn)電壓行波，由于電荷弛豫作用，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出滯后 的電壓行波，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動，不需要位置檢測和反饋回路。
本陀螺工作時，其位置檢測是這樣完成的
(1) 當(dāng)用于檢測豎直方向z軸環(huán)形轉(zhuǎn)子的位移信號時，若轉(zhuǎn)子向上或向下 平移，給上定子第八軸向懸浮檢測電極17、上定子第一軸向懸浮檢測電極10施 加頻率為fl的高頻交流電，而在下定子軸向第八懸浮檢測電極63、下定子軸向 第一懸浮檢測電極56施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流 載波；上定子第二軸向懸浮檢測電極ll、上定子第三軸向懸浮檢測電極12施加 頻率為f2的高頻交流電，而在下定子軸向第二懸浮檢測電極57、下定子軸向第 三懸浮檢測電極58施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載 波；依此類推，上下定子第四軸向懸浮檢測電極、上下定子第五軸向懸浮檢測電 極施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度頻率為f3的高頻載波，上下定 子第六軸向懸浮檢測電極、上下定子第七軸向懸浮檢測電極施加相同頻率、幅值 大小相等、相位差180度頻率為f4的高頻載波。再通過定子公共電極板輸出差 分電容信號，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出環(huán)形轉(zhuǎn)子輸入的z軸上的位移信號。
(2) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子繞y軸的位置變化時，給上定子第二軸向懸浮檢 測電極ll、上定子第三軸向懸浮檢測電極12施加頻率為f2的高頻交流電，在下定子第二軸向懸浮檢測電極57、下定子第三軸向懸浮檢測電極58施加相同頻 率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；在上定子第六軸向懸浮檢測
電極15、上定子第七軸向懸浮檢測電極16施加頻率為f4的高頻交流電，而在 下定子第六軸向懸浮檢測電極61、下定子第七軸向懸浮檢測電極62施加相同頻 率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波，通過定子公共電極板輸出差 分電容信號，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的z軸信號。
(3) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子繞x軸的位置變化時，給上定子第八軸向懸浮檢 測電極17、上定子第一軸向懸浮檢測電極5施加頻率為fl的高頻交流電，在下 定子第八軸向懸浮檢測電極63、下定子第一軸向懸浮檢測電極56施加相同頻率、 幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；在上定子第四軸向懸浮檢測電極 13、上定子第五軸向懸浮檢測電極14施加頻率為f3的高頻交流電，而在下定子 第四軸向懸浮檢測電極59、下定子第五軸向懸浮檢測電極60施加相同頻率、幅 值大小相等、相位差180度的高頻交流載波，通過定子公共電極板輸出差分電容 信號，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的z軸信號。
(4) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸發(fā)生位移時，在外圍第一徑向懸浮檢測電 極30、外圍第二徑向懸浮檢測電極31施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第一徑向懸浮 檢測電極45、內(nèi)圍第二徑向懸浮檢測電極38施加相同頻率、幅值大小相等、相 位差180度的高頻交流載波；外圍第五徑向懸浮檢測電極34、外圍第六徑向懸 浮檢測電極35施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第五徑向懸浮檢測電極41、內(nèi)圍第六 徑向懸浮檢測電極32施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流 載波，通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的 x軸信號。轉(zhuǎn)子沿x軸負(fù)向發(fā)生偏移，依此類推。
(5) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸發(fā)生位移時，在外圍第三徑向懸浮檢測電 極32、外圍第四徑向懸浮檢測電極33施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第三徑向懸浮 檢測電極39、內(nèi)圍第四徑向懸浮檢測電極40施加相同頻率、幅值大小相等、相 位差180度的高頻交流載波；外圍第七徑向懸浮檢測電極36、外圍第八徑向懸 浮檢測電極37施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第七徑向懸浮檢測電極43、內(nèi)圍第八 徑向懸浮檢測電極44施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流 載波，通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的y軸信號。
陀螺儀可敏感二軸角速度。假設(shè)該陀螺的轉(zhuǎn)子繞z軸轉(zhuǎn)動的角速度為幼，轉(zhuǎn)
動慣量為I，該陀螺以角速度v繞y軸轉(zhuǎn)動，由于陀螺的定軸性，轉(zhuǎn)子將會在x 軸向發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)角為v，，位于上定子1和下定子4上的相應(yīng)的檢測電極通過 施加相應(yīng)的高頻載波，就會檢測到轉(zhuǎn)子的位置偏移，從而在相應(yīng)的懸浮電極上施 加電壓產(chǎn)生再平衡力矩Mx，由再平衡力矩Mx便可得知輸入y軸角速度的大小
v = ^^^。陀螺敏感x軸角速度均可依次類推。
陀螺儀也可以敏感三軸向線加速度。當(dāng)陀螺殼體受到如沿x軸正向的線加 速度ax時，轉(zhuǎn)子由于慣性仍然靜止，則轉(zhuǎn)子相對定子有沿x軸負(fù)向的線位移。 經(jīng)位移檢測后，控制電子線路產(chǎn)生控制電壓，并加到x軸向布置的徑向定子電極 上，于是產(chǎn)生x軸負(fù)向的靜電平衡力Fx使轉(zhuǎn)子回到殼體平衡位置。根據(jù)靜電平 衡力Fx，可求得輸入的線加速度ax =Fm, m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。同理，由靜電平衡 力Fy、 Fz可分別求得其它兩軸輸入的線角速度ay、 az。
權(quán)利要求
1、一種電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，包括上定子、下定子、周邊結(jié)構(gòu)、微轉(zhuǎn)子，上定子、下定子上下設(shè)置，上定子、下定子和周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一個籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)設(shè)置在微轉(zhuǎn)子周圍，微轉(zhuǎn)子置于籠式結(jié)構(gòu)中間，其特征在于上定子包括旋轉(zhuǎn)電極、第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、軸向懸浮檢測電極和公共電極，上定子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極、上定子旋轉(zhuǎn)電極、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈共同構(gòu)成上定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上，每一個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子公共電極是一個連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)，上定子旋轉(zhuǎn)電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán)的最大外徑小于微轉(zhuǎn)子的最大外徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子和下定子結(jié)構(gòu)相同，垂直對應(yīng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺， 其特征是，所述的微轉(zhuǎn)子是五層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，分別為環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、 環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層，上絕緣層、下絕緣層，支撐層，支撐層位于中間， 環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層分別通過上絕緣層、下 絕緣層與支撐層相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺， 其特征是，所述的環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層采用注硼摻雜多晶硅材料，上絕緣層、下絕緣層采用Si02材料，支撐層采用Si材料。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺，其特征是，所述的周邊結(jié)構(gòu)是一個圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi) 圍徑向懸浮檢測電極，同一徑向的外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向懸浮檢測電 極位于以平衡位置時轉(zhuǎn)子中心為圓心的同一扇形區(qū)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，用于衛(wèi)星，汽車等導(dǎo)航控制領(lǐng)域。本發(fā)明由上下定子、微轉(zhuǎn)子、周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個籠式結(jié)構(gòu)。定子包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、軸向懸浮檢測電極、第一個懸浮穩(wěn)定線圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈，定子固聯(lián)在襯底上。微轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下懸浮在定子之間，微轉(zhuǎn)子成圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)外側(cè)均布置有周圍結(jié)構(gòu)，周圍結(jié)構(gòu)主要是徑向懸浮電極和徑向懸浮檢測電極。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，提出電磁懸浮電荷弛豫旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過軸向設(shè)置內(nèi)外兩層懸浮穩(wěn)定線圈，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子自穩(wěn)懸浮，軸向和徑向懸浮檢測電極可進(jìn)一步增強(qiáng)懸浮剛度及實(shí)現(xiàn)位置檢測。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低功耗的特點(diǎn)。
文檔編號B81B7/02GK101561275SQ20091005214
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者凱 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛(wèi)平, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)