專利名稱：反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺的制作方法
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 是一種反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年內(nèi)成為最成功，應(yīng)用最 廣泛的微機(jī)電系統(tǒng)器件之一。主要受汽車工業(yè)的驅(qū)動(dòng)，微加工振動(dòng)式機(jī)械微陀螺 儀正在過去幾年已取得了廣泛的研究，性能顯著提高。與此同時(shí)，為克服振動(dòng)式 微機(jī)械陀螺儀的支懸對(duì)稱結(jié)構(gòu)性和模態(tài)匹配對(duì)制造缺陷、溫度變化等敏感性，即 可進(jìn)行振動(dòng)微陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，另一方面又要嘗試研制新型結(jié)構(gòu)方法的微陀 螺，懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺因此己得到美、日、英等國的重視，于20世紀(jì)90年代初著 手研究，并取得一定的研究成果。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，B. Damrongsak, M. Kraft在《The 4th IEEE Conf. on sensors》 (Nov. 2005, 401-404 頁)上發(fā)表 "A Micromachined Electrostatically Suspended Gyroscope with Digital Force Feedback", 該文提出一種靜電懸浮盤形轉(zhuǎn)子的微陀螺。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??；該陀螺旋轉(zhuǎn)是基于可變電容靜電微馬達(dá)的原理工 作的。不足之處在于需要提供懸浮靜電力電極和穩(wěn)定X、 Y軸方向位置的控制 電極，控制相對(duì)復(fù)雜，不能自穩(wěn)懸浮，并且工藝相對(duì)復(fù)雜；采用變電容旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 的方法，控制方法也較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn) 的微陀螺，采用永磁材料和反磁材料相結(jié)合，使其采用懸浮式反磁敏感質(zhì)量塊， 依靠上、下定子對(duì)反磁轉(zhuǎn)子提供平衡重力的懸浮力和側(cè)向穩(wěn)定力，實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸 浮，功耗小，實(shí)現(xiàn)方便，尺寸小，工藝更簡單。另外利用電暈作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，
3不需要轉(zhuǎn)速檢測即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的恒高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且力矩大，結(jié)構(gòu)和控制簡單。轉(zhuǎn) 子內(nèi)側(cè)只需要設(shè)置齒形電極，因此可做成圓環(huán)狀，也方便了加工。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，解決背景技術(shù)中不能自穩(wěn)懸浮和控制復(fù)雜的不足。 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、下定子、周邊結(jié) 構(gòu)、微轉(zhuǎn)子，齒形結(jié)構(gòu)，上定子、下定子上下設(shè)置，上定子、下定子通過周邊結(jié) 構(gòu)相連構(gòu)成一個(gè)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)子置于這個(gè)籠式結(jié) 構(gòu)的中間，齒形結(jié)構(gòu)位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，微轉(zhuǎn)子與齒形結(jié)構(gòu)之間有間隔，上定 子包括上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極、上定子圓柱形軸向充磁永磁 體、上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體，圓柱形軸向充磁永磁體的圓心通過整個(gè)結(jié) 構(gòu)的中心線，上定子環(huán)形軸向充磁永磁體圍繞圓柱形軸向充磁永磁體依次向外排 列，上定子軸向懸浮檢測電極位于以上定子的中心為圓心的圓上，且彼此間隔相 等，上定子軸向懸浮檢測電極板的外徑小于上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體的外 徑，上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體的外徑大于環(huán)形轉(zhuǎn)子的外徑。在上定子面向 轉(zhuǎn)子的面上從內(nèi)向外依次是上定子公共電極，上定子軸向檢測電極。上定子軸向 檢測電極、上定子公共電極與上定子圓柱形軸向充磁永磁體、上定子多個(gè)環(huán)形軸 向充磁永磁體共同固聯(lián)在基體上，上定子和下定子結(jié)構(gòu)相同，在空間上相向垂直 對(duì)應(yīng)。
微轉(zhuǎn)子是一種圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，主要包括反磁結(jié)構(gòu)層和絕緣結(jié)構(gòu)。絕緣結(jié)構(gòu)和 反磁結(jié)構(gòu)層均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且絕緣結(jié)構(gòu)位于反磁結(jié)構(gòu)層的內(nèi)側(cè)。齒形結(jié)構(gòu)采用金 屬材料Ni制作，絕緣結(jié)構(gòu)可采用PMMA材料制成，轉(zhuǎn)子的反磁結(jié)構(gòu)層采用反磁材 料。當(dāng)在齒形結(jié)構(gòu)施加電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)由于庫倫排斥的作用被驅(qū)動(dòng)著旋轉(zhuǎn)起來。
周邊結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括八個(gè)徑向懸浮檢測電極，這八個(gè)徑向電極 板均勻的分布在以微轉(zhuǎn)子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等?？梢苑謩e實(shí)現(xiàn)徑 向懸浮控制和徑向電容檢測的功能。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時(shí)，分別在相應(yīng)徑向懸 浮檢測電極對(duì)上施加交流電，可以實(shí)現(xiàn)徑向電容檢測，同時(shí)在相應(yīng)電極上施加直 流電可進(jìn)一步增強(qiáng)徑向懸浮剛度。為了保證整個(gè)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)置上下定子圓柱形充磁永磁體、上下定子多 個(gè)環(huán)形充磁永磁體和環(huán)形轉(zhuǎn)子，而且具有軸向和徑向兩個(gè)懸浮設(shè)置，多個(gè)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。
穩(wěn)定懸浮是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明中的上定子圓柱形軸向充磁永磁 體、上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體、下定子圓柱形軸向充磁永磁體、下定子多 個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體和反磁轉(zhuǎn)子組成一個(gè)穩(wěn)定的懸浮系統(tǒng)。具體為當(dāng)上定子 圓柱形軸向充磁永磁體、上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體、下定子圓柱形軸向充 磁永磁體、下定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體軸向充磁時(shí)，上下定子永磁體對(duì)反磁 轉(zhuǎn)子提供懸浮力和側(cè)向穩(wěn)定力，實(shí)現(xiàn)無控制自穩(wěn)起支懸浮，同時(shí)，上下定子的軸 向懸浮檢測電極和徑向懸浮檢測電極與環(huán)形轉(zhuǎn)子之間的靜電力可進(jìn)一步提高陀 螺的軸向懸浮剛度和側(cè)向懸浮剛度，增強(qiáng)穩(wěn)定懸浮性能。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)是由電暈原理驅(qū)動(dòng)的。在齒形電極上施加直流電，在齒形電 極的尖端會(huì)產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，這時(shí)齒形電極和環(huán)形轉(zhuǎn)子之間形成一個(gè)高強(qiáng)的不 均勻電場，齒形電極和轉(zhuǎn)子之間的空氣被電離，轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)被不斷的充電。齒 形電極和轉(zhuǎn)子由于庫倫排斥力的作用相互影響，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。本陀螺 的旋轉(zhuǎn)不需要轉(zhuǎn)速檢測即可實(shí)現(xiàn)恒高速旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明位置檢測包括軸向位置檢測和徑向位置檢測。徑向位置是通過提取徑 向檢測電極對(duì)和轉(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 軸向檢測電極與轉(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利用反磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)的微 陀螺結(jié)構(gòu)簡單，可自穩(wěn)懸浮，可大大提高微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 速，從而提高陀螺的測量精度。


圖l本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖2本發(fā)明上定子電極結(jié)構(gòu)示意圖3本發(fā)明下定子電極結(jié)構(gòu)示意圖4本發(fā)明周邊結(jié)構(gòu)和齒形結(jié)構(gòu)示意圖5本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖6本發(fā)明上定子永磁體結(jié)構(gòu)示意圖7本發(fā)明上定子永磁體結(jié)構(gòu)示意圖。
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、 6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，齒形結(jié)構(gòu)31，上定子l、下定子4上下設(shè)置，上定子l、下定子4通過 周邊結(jié)構(gòu)2相連構(gòu)成一個(gè)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 置于這個(gè)籠式結(jié)構(gòu)的中間，齒形結(jié)構(gòu)31位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，微轉(zhuǎn)子3與齒形 結(jié)構(gòu)31之間有間隔，上定子l包括上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極 5、上定子圓柱形軸向充磁永磁體40、上定子環(huán)形軸向充磁永磁體，上定子圓柱 形軸向充磁永磁體40的圓心通過整個(gè)結(jié)構(gòu)的中心線，上定子環(huán)形軸向充磁永磁 體圍繞圓柱形軸向充磁永磁體40依次向外排列，上定子軸向懸浮檢測電極位于 以上定子的中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測電極的外 徑小于上定子環(huán)形軸向充磁永磁體的外徑，上定子環(huán)形軸向充磁永磁體的外徑大 于微轉(zhuǎn)子3的外徑，在上定子面向轉(zhuǎn)子的面上從內(nèi)向外依次是上定子公共電極5， 上定子軸向檢測電極，上定子軸向檢測電極板、上定子公共電極板5與上定子圓 柱形軸向充磁永磁體40、上定子環(huán)形軸向充磁永磁體共同固聯(lián)在基體上，上定 子1和下定子4結(jié)構(gòu)相同，在空間上相向垂直對(duì)應(yīng)。
上定子軸向#浮檢測電極包括上定子第一軸向懸浮檢測電極6、上定子第 二軸向懸浮檢測電極7、上定子第三軸向懸浮檢測電極8、上定子第四軸向懸浮 檢測電極9、上定子第五軸向懸浮檢測電極IO、上定子第六軸向懸浮檢測電極 11、上定子第七軸向懸浮檢測電極12、上定子第八軸向懸浮檢測電極13。
上定子環(huán)形軸向充磁永磁體包括上定子第一環(huán)形軸向充磁永磁體34、上 定子第二環(huán)形軸向充磁永磁體35、上定子第三環(huán)形軸向充磁永磁體36、上定子 第四環(huán)形軸向充磁永磁體37、上定子第五環(huán)形軸向充磁永磁體38、上定子第六 環(huán)形軸向充磁永磁體39構(gòu)成。
上定子環(huán)形軸向充磁永磁體圍繞圓柱形軸向充磁永磁體40依次向外排列， 從外到內(nèi)依次是上定子第一環(huán)形軸向充磁永磁體34、上定子第二環(huán)形軸向充 磁永磁體35、上定子第三環(huán)形軸向充磁永磁體36、上定子第四環(huán)形軸向充磁永 磁體37、上定子第五環(huán)形軸向充磁永磁體38、上定子第六環(huán)形軸向充磁永磁體39、圓柱形軸向充磁永磁體40。
如圖3和7所示，下定子4由下定子第一軸向懸浮檢測電極15、下定子第 二軸向懸浮檢測電極16、下定子第三軸向懸浮檢測電極17、下定子第四軸向懸 浮檢測電極18、下定子第五軸向懸浮檢測電極19、下定子第六軸向懸浮檢測電 極20、下定子第七軸向懸浮檢測電極21、下定子第八軸向懸浮檢測電極22、下 定子公共電極14、下定子圓柱形軸向充磁永磁體47、下定子第一環(huán)形軸向充磁 永磁體41、下定子第二環(huán)形軸向充磁永磁體42、下定子第三環(huán)形軸向充磁永磁 體43、下定子第四環(huán)形軸向充磁永磁體44、下定子第五環(huán)形軸向充磁永磁體45、 下定子第六環(huán)形軸向充磁永磁體46構(gòu)成。下定子圓柱形軸向充磁永磁體47是圓 柱形的，下定子第一環(huán)形軸向充磁永磁體41、下定子第二環(huán)形軸向充磁永磁體 42、下定子第三環(huán)形軸向充磁永磁體43、下定子第四環(huán)形軸向充磁永磁體44、 下定子第五環(huán)形軸向充磁永磁體45、下定子第六環(huán)形軸向充磁永磁體46組成多 個(gè)下定子環(huán)形軸向充磁永磁體，這兩種永磁體都是軸向充磁的，他們共同組成下 定子永磁體，圓柱形軸向充磁永磁體47的圓心通過整個(gè)結(jié)構(gòu)的中心線，多個(gè)下 定子環(huán)形軸向充磁永磁體圍繞圓柱形軸向充磁永磁體47依次向外排列，從外到 內(nèi)依次是下定子第一環(huán)形軸向充磁永磁體41、下定子第二環(huán)形軸向充磁永磁 體42、下定子第三環(huán)形軸向充磁永磁體43、下定子第四環(huán)形軸向充磁永磁體44、 下定子第五環(huán)形軸向充磁永磁體45、下定子第六環(huán)形軸向充磁永磁體46、圓柱 形軸向充磁永磁體47。下定子第一軸向懸浮檢測電極15、下定子第二軸向懸浮 檢測電極16、下定子第三軸向懸浮檢測電極17、下定子第四軸向懸浮檢測電極 18、下定子第五軸向懸浮檢測電極19、下定子第六軸向懸浮檢測電極20、下定 子第七軸向懸浮檢測電極21、下定子第八軸向懸浮檢測電極22位于以下定子的 中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。在下定子4面向轉(zhuǎn)子的面上從內(nèi)向外依次 是下定子公共電極板14，下定子軸向懸浮檢測電極板。下定子軸向懸浮檢測電 極板、下定子公共電極板14與下定子永磁體共同固聯(lián)在基體上，且下定子永磁 體位于下定子軸向檢測電極和下定子公共電極板的下側(cè)。下定子永磁體的外徑大 于微轉(zhuǎn)子3的外徑，下定子永磁體的外徑也大于下定子軸向懸浮檢測電極的外 徑，下定子軸向懸浮檢測電極的外徑等于環(huán)形轉(zhuǎn)子的外徑。
上定子1和下定子4的圓形軸向充磁永磁體的外形尺寸應(yīng)一致，上定子1和下定子2從內(nèi)向外相應(yīng)的多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體外形尺寸要一致，即下定子 圓柱形軸線充磁永磁體47的直徑和高度與上定子圓柱形軸向充磁永磁體40的直 徑和高度相等。則上定子第一環(huán)形軸向充磁永磁體39的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和 高度應(yīng)與下定子第一環(huán)形軸向充磁永磁體46的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高度相等， 上定子的第二環(huán)形軸向充磁永磁體38的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高度應(yīng)與下定子 的第二環(huán)形軸向充磁永磁體45的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高度相等，依此類推。 以此類推，上定子軸向懸浮檢測電極與下定子軸向懸浮檢測電極外形尺寸也是一 致的。
如圖5所示，微轉(zhuǎn)子3是一種圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括反磁結(jié)構(gòu)層33和絕緣結(jié)構(gòu) 32，絕緣結(jié)構(gòu)32和反磁結(jié)構(gòu)層33均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且絕緣結(jié)構(gòu)32位于反磁結(jié)構(gòu) 層33的內(nèi)側(cè)。齒形結(jié)構(gòu)31采用金屬材料Ni制作，絕緣結(jié)構(gòu)32可采用PMMA材 料制成，轉(zhuǎn)子的反磁結(jié)構(gòu)層33采用反磁材料。
如圖4所示，周邊結(jié)構(gòu)2是一個(gè)圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括八個(gè)徑向懸浮檢測電極， 徑向第一懸浮檢測電極23、徑向第二懸浮檢測電極24、徑向第三懸浮檢測電極 25、徑向第四懸浮檢測電極26、徑向第五懸浮檢測電極27、徑向第六懸浮檢測 電極28、徑向第七懸浮檢測電極29、徑向第八懸浮檢測電極30。這八個(gè)徑向電 極板均勻的分布在以微轉(zhuǎn)子3中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。這些徑向懸 浮檢測電極可以經(jīng)一步增強(qiáng)徑向懸浮剛度、實(shí)現(xiàn)電容檢測。
本發(fā)明的懸浮本發(fā)明中的上定子圓柱形軸向充磁永磁體40、上定子多個(gè) 環(huán)形軸向充磁永磁體、下定子圓柱形軸向充磁永磁體47、下定子多個(gè)環(huán)形軸向 充磁永磁體和反磁轉(zhuǎn)子3組成一個(gè)穩(wěn)定的懸浮系統(tǒng)。具體為當(dāng)上定子圓柱形軸 向充磁永磁體40、上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體、下定子圓柱形軸向充磁永 磁體47、下定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體軸向充磁時(shí)，上下定子永磁體對(duì)反磁 轉(zhuǎn)子提供懸浮力和側(cè)向穩(wěn)定力，實(shí)現(xiàn)無控制自穩(wěn)起支懸浮，同時(shí)，上下定子的軸 向懸浮檢測電極和徑向懸浮檢測電極與環(huán)形轉(zhuǎn)子3之間的靜電力可進(jìn)一步提高 陀螺的軸向懸浮剛度和側(cè)向懸浮剛度，增強(qiáng)穩(wěn)定懸浮性能。本發(fā)明在施加靜電電 壓之前，轉(zhuǎn)子因反磁作用已懸浮在平衡位置，所以相比一般的靜電懸浮微陀螺， 降低了轉(zhuǎn)子3的起支過程和起支控制難度。采用軸向充磁的圓柱形永磁體和多環(huán) 形永磁體布置，非常易于加工和充磁，容易形成所需要的靜態(tài)磁場梯度和分布，
8且理論上能形成圓周方向上無變化靜態(tài)磁場，這樣在任意水平和徑向方向上，由 于磁場分布是一樣的，因此對(duì)加速度的敏感也一樣，方便了水平方向加速度的測 量。同時(shí)，設(shè)置有反磁物質(zhì)的轉(zhuǎn)子3在次靜態(tài)磁場中非常容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支撐懸浮， 因此方便的實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮支撐這一關(guān)鍵。
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穩(wěn)定電極7和上定 子第三軸向懸浮穩(wěn)定電極8的中線，y軸平行于以上定子第四軸向懸浮穩(wěn)定電極 9和上定子第五軸向懸浮穩(wěn)定電極10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(shí)的幾何中心點(diǎn)。
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(shí)，在相應(yīng)的 徑向電極上施加直流電壓可實(shí)現(xiàn)懸浮控制，具體為若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸正向移動(dòng)， 即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向第五徑向懸浮檢測電極27和第六徑向懸浮檢測電極28方向運(yùn) 動(dòng)時(shí)，則在第一徑向懸浮檢測電極23、第二徑向懸浮檢測電極24上施加幅值相 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(dòng)，可依此類推；若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸正向發(fā)生移動(dòng)，即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向第七徑向 懸浮檢測電極29和內(nèi)圍第八徑向懸浮檢測電極30方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在第三徑向懸 浮檢測電極25、第四徑向懸浮檢測電極26上施加幅值相等，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(dòng)，可依此類推。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)環(huán)形轉(zhuǎn)子3的內(nèi)側(cè)設(shè)有齒形電極31，齒形電極31與環(huán)形轉(zhuǎn) 子的轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)32有一定的間隔，當(dāng)在當(dāng)在齒形電極31上施加電壓時(shí)，微轉(zhuǎn) 子3上的齒形電極31尖端產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，形成高強(qiáng)的不均勻電場。這個(gè)電 場就會(huì)使它和轉(zhuǎn)子間的空氣電離化，微轉(zhuǎn)子3表面結(jié)構(gòu)就會(huì)由于電暈放電作用被 充電，微轉(zhuǎn)子3和齒形電極31就會(huì)由于庫倫排斥的作用被驅(qū)動(dòng)著旋轉(zhuǎn)起來。電 暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)不需要轉(zhuǎn)速檢測即可實(shí)現(xiàn)恒高速旋轉(zhuǎn)，控制簡單。
本陀螺工作時(shí)，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(hào)時(shí)，若轉(zhuǎn)子向上平移， 給上定子第八軸向懸浮檢測電極13定子第一軸向懸浮檢測電極6加頻率為f 1 的高頻交流電，而在下定子軸向第八懸浮檢測電極22定子軸向第一懸浮檢測電 極15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7上定子第三軸向懸浮檢測電極8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16子軸向第三懸浮檢測電極17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(hào)，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(hào)。
(2) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子繞y軸的位置變化時(shí)，給上定子第二軸向懸浮檢 測電極7上定子第三軸向懸浮檢測電極8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16定子第三軸向懸浮檢測電極17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ll定子第 七軸向懸浮檢測電極12率為f4的高頻交流電，而在下定子第六軸向懸浮檢測電 極20定子第七軸向懸浮檢測電極21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(hào)，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測 出輸入的z軸信號(hào)。
(3) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子繞x軸的位置變化時(shí)，給上定子第八軸向懸浮檢 測電極13定子第一軸向懸浮檢測電極7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22定子第一軸向懸浮檢測電極15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9、定子第五軸 向懸浮檢測電極10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18定子第五軸向懸浮檢測電極19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(hào)，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測 出輸入的z軸信號(hào)。
(4) 當(dāng)用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸發(fā)生位移時(shí)，在第一徑向懸浮檢測電極23、 第二徑向懸浮檢測電極24施加高頻交流電，而在第五徑向懸浮檢測電極27、第 六徑向懸浮檢測電極28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(hào)，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入 的x軸信號(hào)。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(shí)，在第三徑向懸浮檢測電極25、第四徑向懸浮檢測電極26施加高頻交流電，而在第七徑向懸浮檢測電極29、第 八徑向懸浮檢測電極30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(hào)，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入
的y軸信號(hào)。
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(dòng)的角速度為w，轉(zhuǎn)
動(dòng)慣量為I，該陀螺以角速度v繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于陀螺的定軸性，轉(zhuǎn)子將會(huì)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(huì)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(shí)，轉(zhuǎn)子由于慣性仍然靜止，則轉(zhuǎn)子相對(duì)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。
1權(quán)利要求
1、一種反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，包括上定子、下定子、周邊結(jié)構(gòu)、微轉(zhuǎn)子，齒形結(jié)構(gòu)，上定子、下定子上下設(shè)置，其特征在于上定子、下定子通過周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一個(gè)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)子置于這個(gè)籠式結(jié)構(gòu)的中間，齒形結(jié)構(gòu)位于環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，微轉(zhuǎn)子與齒形結(jié)構(gòu)之間有間隔，上定子包括上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極、上定子圓柱形軸向充磁永磁體、上定子環(huán)形軸向充磁永磁體，圓柱形軸向充磁永磁體的圓心通過整個(gè)結(jié)構(gòu)的中心線，上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體圍繞圓柱形軸向充磁永磁體依次向外排列，上定子軸向懸浮檢測電極位于以上定子的中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測電極板的外徑小于上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體的外徑，上定子多個(gè)環(huán)形軸向充磁永磁體的外徑大于環(huán)形轉(zhuǎn)子的外徑，在上定子面向轉(zhuǎn)子的面上從內(nèi)向外依次是上定子公共電極，上定子軸向檢測電極，上定子軸向檢測電極、上定子公共電極與上定子圓柱形軸向充磁永磁體、上定子環(huán)形軸向充磁永磁體共同固聯(lián)在基體上，上定子和下定子結(jié)構(gòu)相同，在空間上相向垂直對(duì)應(yīng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，其特征是， 微轉(zhuǎn)子是一種圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括反磁結(jié)構(gòu)層和絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)構(gòu)和反磁結(jié)構(gòu)層 均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且絕緣結(jié)構(gòu)位于反磁結(jié)構(gòu)層的內(nèi)側(cè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，其特征是， 齒形結(jié)構(gòu)采用金屬材料Ni制作。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，其特征是， 絕緣結(jié)構(gòu)采用PMMA材料制成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，其特征是， 反磁結(jié)構(gòu)層采用反磁材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，其特征是， 周邊結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括八個(gè)徑向懸浮檢測電極，這八個(gè)徑向電極板均 勻的分布在以微轉(zhuǎn)子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用反磁懸浮轉(zhuǎn)子電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的微陀螺，包括上下定子、微轉(zhuǎn)子、周邊結(jié)構(gòu)、齒形結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)籠式結(jié)構(gòu)。定子包括軸向懸浮檢測電極、定子圓柱形永磁體，和多個(gè)環(huán)形永磁體，定子固聯(lián)在襯底上。反磁轉(zhuǎn)子和上下定子產(chǎn)生的相互作用力使轉(zhuǎn)子自穩(wěn)懸浮在定子之間。微轉(zhuǎn)子成圓環(huán)形，內(nèi)側(cè)為齒形電極，外側(cè)均布置有周圍結(jié)構(gòu)，周圍結(jié)構(gòu)為徑向懸浮檢測電極。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，提出反磁懸浮轉(zhuǎn)子電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過永磁體可實(shí)現(xiàn)反磁轉(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。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)。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101561277SQ200910052148
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)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, 武 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛(wèi)平, 戴福彥, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)