專利名稱：撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺，具體是一種撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀。
背景技術(shù)：
當(dāng)前被廣泛研究的微陀螺儀可分為兩種，一種是懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，另一種是撓性陀螺儀，它們各有其特點(diǎn)。懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，轉(zhuǎn)子在懸浮狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速獲得的較大的提高，有助于實(shí)現(xiàn)高精度，但是懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺普遍采用雙定子結(jié)構(gòu)，并且為了提高轉(zhuǎn)子的側(cè)向剛度而需要加工側(cè)向控制電極，使得懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的加工工藝復(fù)雜。而為了除去轉(zhuǎn)子受到空氣阻力的影響，常見(jiàn)的懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺要使用真空封裝。撓性陀螺儀是一種高性能、低成本的精度較高的陀螺，它以撓性支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的懸浮技術(shù)而帶來(lái)一系列的優(yōu)點(diǎn)，故在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)為CN1712894A，名稱為電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺。該專利文中提到該系統(tǒng)包括雙定子結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承、與軸承相連的轉(zhuǎn)子。該系統(tǒng)是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角動(dòng)量，采用雙定子結(jié)構(gòu)，使用了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子兩個(gè)轉(zhuǎn)子，從而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且在工藝上很難利用微加工工藝精確加工電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承，工藝要求高。

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，提出一種撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀。本發(fā)明使用單定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，陀螺的角動(dòng)量是通過(guò)金屬流體的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生的，并通過(guò)撓性梁將轉(zhuǎn)子與定子連為一體，使該陀螺儀具有很強(qiáng)的抗沖擊能力。轉(zhuǎn)子基體用金屬作材料，在定子上加工電極通過(guò)靜電感應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子施加靜電力來(lái)補(bǔ)償撓性梁產(chǎn)生的干擾力矩，使轉(zhuǎn)子成為自由支撐體。在定子上加工檢測(cè)電極通過(guò)與轉(zhuǎn)子形成差分電容來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置偏移情況，并使用反饋加矩靜電電極對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋控制。該陀螺具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，剛性結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)需真空封裝，抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用MEMS技術(shù)，使該陀螺儀又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子、撓性梁、定子。轉(zhuǎn)子包括第一基體和環(huán)形腔體，環(huán)形腔體位于第一基體內(nèi)，環(huán)形腔體中注有金屬流體，環(huán)形腔體中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈所施加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量；轉(zhuǎn)子與定子通過(guò)撓性梁連接為一體，撓性梁會(huì)隨著轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形；定子包括第二基體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)電極、反饋加矩靜電電極與撓性補(bǔ)償靜電電極，在第二基體上由內(nèi)到外分布著八個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈、八個(gè)檢測(cè)電極、八個(gè)反饋加矩靜電電極、八個(gè)撓性補(bǔ)償靜電電極，其中反饋加矩靜電電極、撓性補(bǔ)償靜電電極處于同一個(gè)以定子中心為中心的圓環(huán)上，兩個(gè)緊鄰的反饋加矩靜電電極形成反饋加矩靜電電極對(duì)，兩個(gè)緊鄰的撓性補(bǔ)償靜電電極也形成撓性補(bǔ)償靜電電極對(duì)，反饋加矩靜電電極對(duì)與撓性補(bǔ)償靜電電極對(duì)彼此交替，反饋加矩靜電電極、撓性補(bǔ)償靜電電極的內(nèi)徑和外徑分別相同，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈位于定子的最靠近中心的位置，八個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈在圓周方向上呈對(duì)稱分布，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈的外側(cè)分布著八個(gè)檢測(cè)電極，八個(gè)檢測(cè)電極在圓周方向上呈對(duì)稱分布，四對(duì)反饋加矩靜電電極和四對(duì)撓性補(bǔ)償靜電電極在圓周方向都呈對(duì)稱分布。
本發(fā)明撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細(xì)加工(微細(xì)體加工和微細(xì)表面加工)工藝進(jìn)行加工。轉(zhuǎn)子的基體材料為金屬，定子的基體為玻璃，在玻璃上加工種子層，再通過(guò)一系列微加工工藝在種子層上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)電極、反饋加矩靜電電極和撓性補(bǔ)償靜電電極，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)電極、反饋加矩靜電電極與撓性補(bǔ)償靜電電極都是以銅為材料，撓性梁的材料為鎳。定子的基體也可以使用金屬作材料，以金屬作為基體材料時(shí)，需要在基體上濺射一層Al2O3絕緣層，再在Al2O3絕緣層上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)電極、反饋加矩靜電電極和撓性補(bǔ)償靜電電極。
本發(fā)明整個(gè)系統(tǒng)采用單定子、單個(gè)轉(zhuǎn)子，并通過(guò)撓性梁將轉(zhuǎn)子與定子連為一體，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，同時(shí)又具備了很強(qiáng)的抗沖擊能力，能滿足在復(fù)雜環(huán)境下使用。通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈來(lái)驅(qū)動(dòng)金屬流體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生陀螺的角動(dòng)量，沒(méi)有剛性結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得系統(tǒng)不需要采用真空封裝。本發(fā)明中充分融合了金屬流體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角動(dòng)量、靜電補(bǔ)償撓性梁的干擾力矩和靜電加矩反饋控制三種技術(shù)，并采用MEMS技術(shù)，使該陀螺儀又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特點(diǎn)。
本發(fā)明中轉(zhuǎn)子基體是用金屬作材料，在定子上加工撓性補(bǔ)償靜電電極通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生靜電力力矩來(lái)來(lái)補(bǔ)償撓性梁產(chǎn)生的干擾力矩，使轉(zhuǎn)子成為自由支撐體。在定子上加工檢測(cè)電極與轉(zhuǎn)子形成差分電容來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置偏移情況，并使用反饋加矩靜電電極對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋控制。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)立體2為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)立體3為本發(fā)明撓性梁立體4為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖視圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)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(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實(shí)施例包括轉(zhuǎn)子1、撓性梁2、定子3。轉(zhuǎn)子1與定子3通過(guò)撓性梁2連接為一體，撓性梁2會(huì)隨著轉(zhuǎn)子1和定子3相對(duì)位置的偏移而發(fā)生變形。轉(zhuǎn)子1由第一基體8和環(huán)形腔體9構(gòu)成。定子3為在第二基體10上加工有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4、檢測(cè)電極5、反饋加矩靜電電極6、撓性補(bǔ)償靜電電極7。
如圖2所示，在定子3的第二基體10上由內(nèi)到外分布著旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4、檢測(cè)電極5、反饋加矩靜電電極6、撓性補(bǔ)償靜電電極7，其中反饋加矩靜電電極6、撓性補(bǔ)償靜電電極7處于同一個(gè)以定子中心為圓心的圓環(huán)上，兩個(gè)緊鄰的反饋加矩靜電電極6形成反饋加矩靜電電極對(duì)，兩個(gè)緊鄰的撓性補(bǔ)償靜電電極7也形成撓性補(bǔ)償靜電電極對(duì)，反饋加矩靜電電極對(duì)與撓性補(bǔ)償靜電電極對(duì)彼此交替，反饋加矩靜電電極6、撓性補(bǔ)償靜電電極7的內(nèi)徑和外徑分別相同。本發(fā)明中選用了八個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4、八個(gè)檢測(cè)電極5、四對(duì)反饋加矩靜電電極6與四對(duì)撓性補(bǔ)償靜電電極7。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4位于定子3的最靠近中心的位置，八個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4在圓周方向上呈對(duì)稱分布。為了形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4的電流相位差為90°。在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4的外側(cè)分布著八個(gè)檢測(cè)電極5，八個(gè)檢測(cè)電極5在圓周方向上呈對(duì)稱分布，檢測(cè)電極5和轉(zhuǎn)子1之間形成的電容值隨轉(zhuǎn)子1的姿態(tài)不同而變化，從而檢測(cè)電極5與轉(zhuǎn)子1形成的差分檢測(cè)電容可以檢測(cè)微轉(zhuǎn)子1的位置變化。四對(duì)反饋加矩靜電電極6在圓周方向呈對(duì)稱分布，用于根據(jù)檢測(cè)電極5檢測(cè)到轉(zhuǎn)子1偏離水平位置的情況，在反饋加矩靜電電極6上施加電壓，通過(guò)靜電感應(yīng)，將在轉(zhuǎn)子1上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而在反饋加矩靜電電極6和轉(zhuǎn)子1之間產(chǎn)生靜電力使得轉(zhuǎn)子1恢復(fù)到平衡位置，以達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)子1進(jìn)行反饋控制的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)子1發(fā)生偏移時(shí)，由于撓性梁2會(huì)產(chǎn)生干擾力矩，此干擾力矩會(huì)引起轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置，因此需要補(bǔ)償該干擾力矩，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是為了使轉(zhuǎn)子1成為自由支撐體，實(shí)現(xiàn)自由偏轉(zhuǎn)。四對(duì)撓性補(bǔ)償靜電電極7在圓周方向呈對(duì)稱分布用于補(bǔ)償撓性梁2產(chǎn)生的干擾力矩。要獲得補(bǔ)償效果，使用金屬材料作為轉(zhuǎn)子1的材料，在定子3上加工撓性補(bǔ)償靜電電極7，通過(guò)靜電感應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子1施加靜電力。當(dāng)轉(zhuǎn)子1處于平衡位置時(shí)，轉(zhuǎn)子1受到的撓性補(bǔ)償靜電電極7所施加的總靜電力為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置時(shí)，轉(zhuǎn)子1所受到的撓性補(bǔ)償靜電電極7所施加的總靜電力產(chǎn)生的力矩與撓性梁2由于變形產(chǎn)生的干擾力矩相抵消，達(dá)到補(bǔ)償效果。
如圖3所示，通過(guò)圖3中顯示的撓性梁2把轉(zhuǎn)子1和定子3連為一體，撓性梁2的結(jié)構(gòu)為兩頭大、中間小的圓柱體，且圓柱體的兩頭大小相同，撓性梁2的兩端分別與轉(zhuǎn)子1和定子3的中心相連接。
如圖4所示，轉(zhuǎn)子1是由第一基體8和環(huán)形腔體9構(gòu)成。通過(guò)微加工工藝在第一基體8中加工出一個(gè)環(huán)形腔體9，環(huán)形腔體9的內(nèi)徑與定子3上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4在以定子3中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同，環(huán)形腔體9的外徑與定子3上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4在以定子3中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。環(huán)形腔體9生成后，使用體加工工藝在第一基體8中打孔，金屬流體通過(guò)孔注入環(huán)形腔體9中，形成環(huán)形金屬流體腔體。環(huán)形腔體8的金屬流體受到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4施加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量，從而能夠響應(yīng)外界角速度的變化。
撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細(xì)加工(微細(xì)體加工和微細(xì)表面加工)工藝進(jìn)行加工。轉(zhuǎn)子1的第一基體8材料為金屬鎳，定子3的第二基體10為玻璃，在玻璃上加工種子層，再通過(guò)一系列微加工工藝在種子層上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4、檢測(cè)電極5、反饋加矩靜電電極6和撓性補(bǔ)償靜電電極7，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈4、檢測(cè)電極5、反饋加矩靜電電極6與撓性補(bǔ)償靜電電極7都是以銅為材料，撓性梁2的材料為鎳。
權(quán)利要求
1.一種撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子(1)、撓性梁(2)、定子(3)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(1)與定子(3)通過(guò)撓性梁(2)連接為一體；所述的轉(zhuǎn)子(1)包括第一基體(8)和環(huán)形腔體(9)，環(huán)形腔體(9)位于第一基體(8)內(nèi)；所述的定子(3)包括第二基體(10)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)、檢測(cè)電極(5)、反饋加矩靜電電極(6)與撓性補(bǔ)償靜電電極(7)，在第二基體(10)上由內(nèi)到外分布著八個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)、八個(gè)檢測(cè)電極(5)、八個(gè)反饋加矩靜電電極(6)、八個(gè)撓性補(bǔ)償靜電電極(7)，八個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)在圓周方向上呈對(duì)稱分布，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)位于定子(3)的最靠近中心的位置，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)的外側(cè)分布著八個(gè)檢測(cè)電極(5)，八個(gè)檢測(cè)電極在圓周方向上呈對(duì)稱分布，四對(duì)反饋加矩靜電電極(6)和四對(duì)撓性補(bǔ)償靜電電極(7)在圓周方向都呈對(duì)稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述轉(zhuǎn)子(1)上的環(huán)形腔體(9)的內(nèi)徑與定子(3)的第二基體(10)上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)在以定子(3)中心為中心的圓周方向上的內(nèi)徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的撓性梁(2)會(huì)隨著轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)相對(duì)位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子(1)，其中環(huán)形腔體(9)中注有金屬流體，環(huán)形腔體(9)中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)所施加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的定子(3)，其中反饋加矩靜電電極(6)、撓性補(bǔ)償靜電電極(7)處于同一個(gè)以定子(3)中心為中心的圓環(huán)上，兩個(gè)緊鄰的反饋加矩靜電電極(6)形成反饋加矩靜電電極對(duì)，兩個(gè)緊鄰的撓性補(bǔ)償靜電電極(7)也形成撓性補(bǔ)償靜電電極對(duì)，反饋加矩靜電電極對(duì)與撓性補(bǔ)償靜電電極對(duì)彼此交替，反饋加矩靜電電極(6)、撓性補(bǔ)償靜電電極(7)的內(nèi)徑和外徑分別相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述環(huán)形腔體(9)的外徑與定子(3)的第二基體(10)上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)在以定子(3)中心為中心的圓周方向上的外徑相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈(4)的電流相位差為90°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述反饋加矩靜電電極(6)根據(jù)檢測(cè)電極(5)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子(1)偏離水平位置的情況，在反饋加矩靜電電極(6)上施加電壓，通過(guò)靜電感應(yīng)，將在轉(zhuǎn)子(1)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而在反饋加矩靜電電極(6)和轉(zhuǎn)子(1)之間產(chǎn)生靜電力使得轉(zhuǎn)子(1)恢復(fù)到平衡位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子(1)的反饋控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性梁(2)的結(jié)構(gòu)為兩頭大、中間小的圓柱體，且圓柱體的兩頭大小相同，撓性梁(2)的兩端分別與轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)的中心相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述轉(zhuǎn)子(1)的基體材料為金屬鎳。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的撓性靜電補(bǔ)償式靜電加矩流體微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子、定子、撓性梁，轉(zhuǎn)子由基體和注有金屬流體的環(huán)形腔體構(gòu)成，環(huán)形腔體中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈所施加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量；轉(zhuǎn)子與定子通過(guò)撓性梁連接為一體，撓性梁會(huì)隨著轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形；定子包括第二基體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)電極、反饋加矩靜電電極與撓性補(bǔ)償靜電電極。本發(fā)明使用金屬流體的高速轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生角動(dòng)量，沒(méi)有剛性結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)撓性補(bǔ)償靜電電極和轉(zhuǎn)子之間由靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的靜電力力矩消除撓性梁變形帶來(lái)的干擾力矩的影響，并使用反饋加矩靜電電極對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋控制。
文檔編號(hào)G01C19/12GK101055179SQ200710041460
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 周海軍, 陳文元, 凌靈 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)