專利名稱：基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種式微陀螺的結(jié)構(gòu)，具體是一種基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺。
背景技術(shù)：
陀螺是一種測量物體相對于慣性空間角度或速率的傳感裝置。MEMS微陀螺是 MEMS技術(shù)和慣性技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是未來陀螺技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。MEMS微陀螺具有體積小、重量輕、功耗低、抗沖擊、能適用于較為惡劣的環(huán)境條件等優(yōu)點，已經(jīng)成為為航空、航天、微小型武器裝備等領(lǐng)域?qū)Ш?、制?dǎo)、控制系統(tǒng)中重要的核心器件。當(dāng)前微陀螺主要采用振動式結(jié)構(gòu)，振動式陀螺通常采用靜電或電磁力驅(qū)動，使活動質(zhì)量塊閉環(huán)諧振在機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的諧振頻率上，從而使活動質(zhì)量塊在單位時間內(nèi)產(chǎn)生最大位移，進(jìn)而獲取微機(jī)械陀螺的最大信噪比，然而由于敏感結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子較低，致使諧振頻率穩(wěn)定性較差，而為提高敏感結(jié)構(gòu)品質(zhì)因子所采用的真空封裝由于漏氣使得微陀螺可靠性、長期穩(wěn)定性下降。其次，由于角速度引起的電荷變化極其微弱，受信號拾取電路與敏感結(jié)構(gòu)之間極限噪聲優(yōu)化參數(shù)的限制，使微陀螺的信噪比很難有較大突破。此外，敏感結(jié)構(gòu)的工藝偏差使得機(jī)械耦合(正交耦合、寄生哥氏力)非常嚴(yán)重，振動式陀螺的工作原理和加工工藝嚴(yán)重制約著性能的提高。近些年來，人們將注意力放到了懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺中。利用電磁力或靜電力使轉(zhuǎn)子懸浮起來，可以提高微陀螺質(zhì)量塊的運動速度，在理論上，懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺相對于振動式微陀螺具有更大的哥氏力和更高的靈敏度，且可實現(xiàn)雙軸角速度和三軸加速度測量。但由于傳統(tǒng)的懸浮轉(zhuǎn)子陀螺使用電磁力或靜電力使轉(zhuǎn)子懸浮起來，轉(zhuǎn)子的體積非常小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性的受到限制，旋轉(zhuǎn)式微陀螺精度并沒有明顯的改善。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，采用納米材料制作的超親油與超疏油性薄膜可以減小固液表面的阻力，比如科學(xué)家從自然仿生荷葉表面超疏水現(xiàn)象出發(fā)，采用納米SiO2粒子復(fù)合改性含氟化合物，制備了一系列具有超疏水性的材料；用硅烷偶聯(lián)劑修飾納米SiO2粒子， 再用六氟丙烯三聚體對乙烯基苯基醚(C9F17OC6H4CH = CH2)進(jìn)行表面接枝聚合，制備了具有超疏水疏油性的材料，水的接觸角為174.8°，滾動角小于2°。本發(fā)明就是利用超疏與懸浮陀螺技術(shù)相結(jié)合，提出了一種利用超疏效應(yīng)減阻，液體懸浮的轉(zhuǎn)子式新型微陀螺。與傳統(tǒng)懸浮陀螺相比較，該陀螺具有工藝簡單，轉(zhuǎn)子易于驅(qū)動、哥氏力大等特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種新的陀螺傳感器結(jié)構(gòu)，它可以利用納米超親油和納米超疏油效應(yīng)，并通過將轉(zhuǎn)子制作成中空結(jié)構(gòu)。采用表面張力將轉(zhuǎn)子懸浮起來，使用電磁驅(qū)動使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)起來，有利于降低驅(qū)動難度，提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定性，提高陀螺性能。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的—種基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，包括上蓋片(5-1)、下蓋片 (5-2)、內(nèi)壁采用超親油材料的密封腔體O)、能夠牢固的吸附在密封腔腔體O)內(nèi)壁上的
3汽化溫度在120°C以上的油(3)、由永磁性材料制成并且表面經(jīng)過納米超疏油處理過的轉(zhuǎn)子(4)和4個纏繞有驅(qū)動線圈的電磁驅(qū)動定子(1)，4個定子上纏繞的驅(qū)動線圈匝數(shù)完全相同，轉(zhuǎn)子(4)位于密封腔體O)內(nèi)部，腔體O)與轉(zhuǎn)子(4)之間充滿油(3)，轉(zhuǎn)子表面由于納米超疏油效應(yīng)吸附有氣體薄膜，有利于減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的阻力，轉(zhuǎn)子為中空圓柱形結(jié)構(gòu)， 轉(zhuǎn)子懸浮于液體油中，電磁驅(qū)動定子(1)采用硅鋼片卡在密封腔體( 的外側(cè)，與密封腔體 ⑵的外壁緊密相連；密封腔體⑵采用非磁性材料，上、下每個蓋片分別按圓周平均分布有8個檢測電極(6)，每個檢測電極上都有引線孔(7)，上、下蓋片與腔體( 通過鍵合或者粘合密封。本發(fā)明專利還有如下技術(shù)特征1.所述的油包括植物油、礦物質(zhì)油或者高純度液晶材料。2.或者將腔體內(nèi)壁做成超親油效應(yīng)與超疏油效應(yīng)相間的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面制作成超疏油效應(yīng)結(jié)構(gòu)。3.轉(zhuǎn)子或制成圓盤片狀。4.所述的油或者是兩種具有界面的油。5.轉(zhuǎn)子無需外加懸浮驅(qū)動力。6.使用電磁伺服驅(qū)動。本發(fā)明的優(yōu)點在于制備工藝簡單，腔體采用機(jī)械沖壓的方式即可完成制做，轉(zhuǎn)子采用磨具進(jìn)行制作，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于納米超疏油可以減小阻力，轉(zhuǎn)子的運動速度快，穩(wěn)定性高，相對于振動式陀螺具有較高的精度。


圖1 基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的俯視示意圖；圖2 基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的側(cè)視示意圖；圖3 定子上施加的驅(qū)動信號圖。
具體實施方案結(jié)合說明書附圖作如下說明實施例1 一種基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，包括上蓋片(5-1)、下蓋片 (5-2)、內(nèi)壁采用超親油材料的密封腔體O)、能夠牢固的吸附在密封腔腔體O)內(nèi)壁上的汽化溫度在120°C以上的油(3)、由永磁性材料制成并且表面經(jīng)過納米超疏油處理過的轉(zhuǎn)子(4)和4個纏繞有驅(qū)動線圈的電磁驅(qū)動定子(1)，4個定子上纏繞的驅(qū)動線圈匝數(shù)完全相同，轉(zhuǎn)子(4)位于密封腔體O)內(nèi)部，腔體O)與轉(zhuǎn)子(4)之間充滿油(3)，轉(zhuǎn)子表面由于納米超疏油效應(yīng)吸附有氣體薄膜，有利于減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的阻力，轉(zhuǎn)子為中空圓柱形結(jié)構(gòu)， 轉(zhuǎn)子懸浮于液體油中，電磁驅(qū)動定子(1)采用硅鋼片卡在密封腔體( 的外側(cè)，與密封腔體 ⑵的外壁緊密相連；密封腔體⑵采用非磁性材料，上、下每個蓋片分別按圓周平均分布有8個檢測電極(6)，每個檢測電極上都有引線孔(7)，從而實現(xiàn)對微陀螺電容變化的檢測， 上、下蓋片與腔體( 通過鍵合或者粘接密封。所述的油包括植物油、礦物質(zhì)油或者高純度液晶材料。其中，或者將腔體內(nèi)壁做成超親油效應(yīng)與超疏油效應(yīng)相間的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面制作成超疏油效應(yīng)結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子或制成圓盤片狀；所述的油或者是兩種具有界面的油。本微陀螺使用電磁伺服驅(qū)動。實施例2 一種基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的制作過程如下如圖1、2所示。 腔體采用機(jī)械沖壓的方式、轉(zhuǎn)子、以及4個定子(1)的采用模具進(jìn)行加工；加工完后的腔體和磨具采用磨床進(jìn)行刨光，對微陀螺腔體內(nèi)使用的高汽化溫度的油(3)進(jìn)行密度測量，設(shè)計中空結(jié)構(gòu)的微陀螺轉(zhuǎn)子G)，使得轉(zhuǎn)子的等效密度與液體(3)的密度相等，采用機(jī)械加工的方法完成中空結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子(4)制作，測量加工完成后的轉(zhuǎn)子的等效密度，采用精密磨床對轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行修正，使得轉(zhuǎn)子的等效密度與與液體的密度相同，轉(zhuǎn)子的重心、中心、浮心重疊，對轉(zhuǎn)子采用充磁機(jī)進(jìn)行充磁，使其徑向帶磁，然后采用化學(xué)腐蝕法對轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行超疏油處理，使得轉(zhuǎn)子表面對懸浮液體油展現(xiàn)出超疏油的特點，對進(jìn)行加工完后的定子上纏繞驅(qū)動線圈，4個定子上纏繞的驅(qū)動線圈匝數(shù)完全相同，將懸浮液體油( 注入腔體O)，然后將上蓋板(5)與腔體O)的上面采用鍵合或粘接的方式密封。實施例3 在定子的4個線圈上施加4個相位相差90°的驅(qū)動信號，如圖3所示，a，b，c, d 四個極的驅(qū)動波形依次相移90°。當(dāng)a極電流為正方向時，a相激勵磁場所產(chǎn)生的磁場力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線與定子極軸線重合位置(此時磁阻最小)，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。若依次按a-b-c-d相繞組通電，則轉(zhuǎn)子按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動；當(dāng)沒有外部角速度輸入時，轉(zhuǎn)子平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此等效檢測電容值不會發(fā)生變化，經(jīng)差分檢測輸出為零，表示沒有外加角速度輸入。當(dāng)外部存在沿X軸的外部角速度輸入時，轉(zhuǎn)子會在哥氏力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。若轉(zhuǎn)子沿逆時針方向高速旋轉(zhuǎn)，則其左側(cè)質(zhì)點相對于轉(zhuǎn)子的速度V 沿正Y方向，則會受到Z方向的哥氏力作用，向上偏轉(zhuǎn)。從而左上側(cè)、右下側(cè)檢測電容的極板間距減小，電容值增大；同理，右上側(cè)、左下側(cè)檢測電容的極板間距增大，電容值減小。經(jīng)差分檢測，電容變化量對應(yīng)外加角速度輸入。實驗測試結(jié)果表明，未經(jīng)過納米超疏油處理的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約為lOOOr/min。進(jìn)行納米超疏油處理后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)到2000r/min。
權(quán)利要求
1.一種基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征在于包括上蓋片(5-1)、下蓋片(5-2)、內(nèi)壁采用超親油材料的密封腔體O)，能夠牢固的吸附在密封腔腔體O)內(nèi)壁上的汽化溫度在120°C以上的油(3)，由永磁性材料制成并且表面經(jīng)過納米超疏油處理過的轉(zhuǎn)子(4)和4個纏繞有驅(qū)動線圈的電磁驅(qū)動定子(1)，4個定子上纏繞的驅(qū)動線圈匝數(shù)完全相同，轉(zhuǎn)子(4)位于密封腔體O)內(nèi)部，腔體( 與轉(zhuǎn)子(4)之間充滿油(3)，轉(zhuǎn)子表面由于納米超疏油效應(yīng)吸附有氣體薄膜，轉(zhuǎn)子為中空圓柱形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子懸浮于液體油中，電磁驅(qū)動定子⑴采用硅鋼片卡在密封腔體⑵的外側(cè)，與密封腔體⑵的外壁緊密相連；密封腔體⑵采用非磁性材料，上、下每個蓋片分別按圓周平均分布有8個檢測電極(6)，每個檢測電極上都有引線孔(7)，上、下蓋片與腔體( 通過鍵合或者粘接密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征在于所述的油包括植物油、礦物質(zhì)油或者高純度液晶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征在于或者將腔體內(nèi)壁做成超親油效應(yīng)與超疏油效應(yīng)相間的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面制作成超疏油效應(yīng)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征在于轉(zhuǎn)子或制成圓盤片狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征在于轉(zhuǎn)子無需外加懸浮驅(qū)動力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的一種基于超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征于使用電磁伺服驅(qū)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，其特征在于 所述的油或者是兩種具有界面的油。
全文摘要
一種基于納米超疏油效應(yīng)的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，包括上蓋片、下蓋片、內(nèi)壁采用超親油材料的密封腔體，能夠牢固的吸附在密封腔腔體內(nèi)壁上的汽化溫度在120℃以上的油，由永磁性材料制成并且表面經(jīng)過納米超疏油處理過的轉(zhuǎn)子和4個纏繞有驅(qū)動線圈的電磁驅(qū)動定子，4個定子上纏繞的驅(qū)動線圈匝數(shù)完全相同，轉(zhuǎn)子位于密封腔體內(nèi)部，腔體與轉(zhuǎn)子之間充滿油，轉(zhuǎn)子表面由于納米超疏油效應(yīng)吸附有氣體薄膜，轉(zhuǎn)子為中空圓柱形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子懸浮于液體油中，電磁驅(qū)動定子采用硅鋼片卡在密封腔體的外側(cè)，密封腔體采用非磁性材料，上下蓋片與腔體通過鍵合或者粘接密封。本發(fā)明的優(yōu)點在于制備工藝簡單，轉(zhuǎn)子的運動速度快，穩(wěn)定性高，相對于振動式陀螺具有較高的精度。
文檔編號G01C19/02GK102564408SQ20111041696
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者劉曉為, 張海峰, 汪東博, 董長春, 趙振剛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)