一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺制造技术

本发明专利技术提供了一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，定子设置于所述陀螺转子的上方；定子静电驱动电极设置于定子的下表面，用于产生步进电场；高温超导体设置于陀螺转子的下方；陀螺转子的下表面设有永磁体，永磁体为轴对称环形；永磁体产生的磁场作用在下方的高温超导体上，通过高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使陀螺转子被锁定悬浮在高温超导体的上方；陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过定子静电驱动电极产生的步进电场作用在转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使陀螺转子高速旋转。本发明专利技术采用高温超导体中磁场的磁通钉扎效应来实现稳定悬浮，是一种无源悬浮技术。

A high temperature superconducting flux pinning effect electrostatically driven microrotating gyroscope

【技术实现步骤摘要】
一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺
本专利技术涉及微机电
，具体地，涉及一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺。
技术介绍
基于高速转动转子的定轴性工作的转子陀螺在传统高精度陀螺中被广泛应用，典型的有液浮、磁悬浮、超导悬浮转子等。由于悬浮转子陀螺具有较为复杂的结构，早期MEMS陀螺都采用基于Coriolis效应的振子结构，这种结构较为简单的、易于微加工工艺制作。近些年来，随着MEMS微加工技术发展日益成熟，转子式MEMS微陀螺的研发得到了国内外科学家们广泛关注。早在1992年，美国SatconTechnology公司报导了一种表面微加工角速率陀螺。制作了2.2μm厚，直径为200μm的多晶硅转子静电马达，采用模拟闭环控制电路控制转子的自转轴指向。然而，在运行的时候，由于电荷导致了转子被粘附而失败。随后，在1995年到1998年英国谢菲尔德大学报导了采用电磁感应涡流悬浮技术制作了电磁悬浮转子微马达。2004年，上海交通大学在该项技术的基础上对线圈结构进行了改进，也制作出了电磁感应涡流悬浮转子微马达。两个机构都实现了转子的悬浮和旋转。1999年到2006年，日本的Tokimec公司报导了一种静电悬浮陀螺。这种陀螺采用静电悬浮支撑环形硅转子，采用阳极键合技术制作了玻璃-硅-玻璃转子密封结构。最大的转子转速为70000转/分，陀螺的标度因子为6.5mV/deg/s。该精度还难以超越现有的振动陀螺从而得到广泛商业应用。近些年来，清华大学在静电悬浮惯性传感器方面也取得了较大的研究进展。哈尔滨工业大学在超疏水液体悬浮转子微陀螺方面也开展了广泛的研究工作。现有的基于MEMS技术制作的悬浮转子微陀螺都还存在亟待解决的技术难题，如：电磁感应悬浮中涡流加热高温及电涡流阻尼，静电悬浮中的小间隙、大驱动电压、工作稳定性等。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺。根据本专利技术提供一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，所述定子设置于所述陀螺转子的上方；所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，用于产生步进电场；所述陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过所述定子静电驱动电极产生的步进电场作用在所述转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使所述陀螺转子高速旋转；所述高温超导体设置于所述陀螺转子的下方；所述陀螺转子的下表面设有永磁体，所述永磁体产生的磁场作用在下方的所述高温超导体上，通过所述高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使所述陀螺转子被锁定悬浮在所述高温超导体的上方。优选地，所述永磁体为磁通钉扎永磁体，所述磁通钉扎永磁体为轴对称环形结构，使所述陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，实现所述陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。优选地，还包括转子舱、隔热薄层、低温舱，其中，所述转子舱设置于所述定子与所述隔热薄层之间，所述定子位于所述转子舱的上方，所述隔热薄层位于所述转子舱的下方；所述定子的下表面与圆筒状所述转子舱壁以及所述隔热薄层的上表面通过粘结剂固联形成所述转子舱的封闭空间；所述陀螺转子悬浮于所述转子舱内；所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，且位于所述转子舱内；所述低温舱设置于所述隔热薄层的下方，由所述隔热薄层的下表面与具有上部敞开面的长方体低温舱壁通过粘结剂固联形成封闭空间；所述高温超导体设置于所述低温舱内，且位于所述隔热薄层的下表面上；所述低温舱的两侧设有液氮注入口、排气口。优选地，所述微陀螺还包括环形电极、位置检测电极，所述环形电极设置于所述陀螺转子的上表面，所述环形电极设置于所述转子静电驱动电极的外围；所述位置检测电极设置于所述定子的下表面，所述位置检测电极设置于所述定子静电驱动电极的外围，所述位置检测电极和所述环状电极形成多组差动电容，用于检测所述陀螺转子的空间位置和姿态。优选地，所述位置检测电极包括位置检测公共电极和位置检测组成电极，所述检测公共电极设置于所述位置检测组成电极的外围。优选地，所述微陀螺还包括静电受力电极和静电施力电极，所述静电受力电极设置于所述陀螺转子的下表面，所述静电受力电极设置于所述永磁体的外围；所述静电施力电极设置于所述隔热薄层的上表面，并位于所述转子舱内，通过所述静电施力电极对所述陀螺转子施加静电力；所述静电施力电极上施加电压，所述静电施力电极和所述静电受力电极间感应出静电场的静电力可对所述陀螺转子施加力矩，用于调整所述陀螺转子的空间姿态角，当所述陀螺转子由于外界旋转输入或扰动产生进动时，施加的力矩可调整所述陀螺转子回到中央位置。优选地，所述转子舱为真空状态。优选地，所述隔热薄层的材料采用具有磁穿透性的热绝缘材料。优选地，具有以下一种或多种特征：-所述定子静电驱动电极包括多个定子静电驱动电极板，由多个所述定子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；-所述转子静电驱动电极包括多个转子静电驱动电极板，由多个所述转子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；-所述转子静电驱动电极板与所述定子静电驱动电极板的数量相匹配，以满足静电步进驱动效果。优选地，所述陀螺转子的基体为导磁层，所述导磁层为圆盘结构。本专利技术是利用陀螺转子中永磁体的磁场在高温超导体中的磁通钉扎效应，对陀螺转子产生悬浮力；利用定子中定子静电驱动电极产生的步进电场作用在转子静电驱动电极产生旋转扭矩，使陀螺转子高速旋转产生陀螺效应；陀螺转子的进动采用陀螺转子上的环形电极和定子上的位置检测电极间的变电容进行检测，来获得陀螺载体的转动运动。陀螺转子和定子采用微加工工艺制作。高温超导体的磁通钉扎效应可获得稳定的悬浮效果，本专利技术为获得一种高性能微转子陀螺提供了一种新的途径。与现有技术相比，本专利技术具有如下至少一种的有益效果：本专利技术中，通过采用高温超导体中磁场的磁通钉扎效应来实现稳定悬浮，相比于电磁感应悬浮、静电悬浮、反磁悬浮等悬浮技术，磁通钉扎效应实现的悬浮更为稳定，是一种无源悬浮技术；磁通钉扎效应实现的悬浮所需的结构更为简单，容易采用微加工技术来实现；且本专利技术中采用静电旋转驱动，增大了旋转扭矩以增大陀螺转子转速，同时避免了旋转磁场驱动所带来的涡流感应热效应或电磁感应干扰等不利影响。本专利技术通过，磁通钉扎永磁体为轴对称结构，使陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，所以陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。本专利技术通过设置环形电极、位置检测电极，陀螺转子的进动采用陀螺转子上的环形电极和定子上的位置检测电极间的变电容进行检测，来感应陀螺载体在敏感轴上输入的角运动，获得陀螺载体的转动运动。进一步，通过静电施力电极和静电受力电极之间感应出静电场的静电力可对转子施加力矩，进而调整陀螺转子的空间姿态角，当陀螺转子由于外界旋转输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，/n所述定子设置于所述陀螺转子的上方；/n所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，用于产生步进电场；/n所述陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过所述定子静电驱动电极产生的步进电场作用在所述转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使所述陀螺转子高速旋转；/n所述高温超导体设置于所述陀螺转子的下方；/n所述陀螺转子的下表面设有永磁体，所述永磁体产生的磁场作用在下方的所述高温超导体上，通过所述高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使所述陀螺转子被锁定悬浮在所述高温超导体的上方。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，
所述定子设置于所述陀螺转子的上方；
所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，用于产生步进电场；
所述陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过所述定子静电驱动电极产生的步进电场作用在所述转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使所述陀螺转子高速旋转；
所述高温超导体设置于所述陀螺转子的下方；
所述陀螺转子的下表面设有永磁体，所述永磁体产生的磁场作用在下方的所述高温超导体上，通过所述高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使所述陀螺转子被锁定悬浮在所述高温超导体的上方。


2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述永磁体为磁通钉扎永磁体，所述磁通钉扎永磁体为轴对称环形结构，使所述陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，实现所述陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。


3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，还包括转子舱、隔热薄层、低温舱，其中，
所述转子舱设置于所述定子与所述隔热薄层之间，所述定子位于所述转子舱的上方，所述隔热薄层位于所述转子舱的下方；所述定子的下表面与圆筒状转子舱壁以及所述隔热薄层的上表面通过粘结剂固联形成所述转子舱的封闭空间；
所述陀螺转子悬浮于所述转子舱内；
所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，且位于所述转子舱内；
所述低温舱设置于所述隔热薄层的下方，由所述隔热薄层的下表面与具有上部敞开面的长方体低温舱壁通过粘结剂固联形成封闭空间；
所述高温超导体设置于所述低温舱内，且位于所述隔热薄层的下表面上；
所述低温舱的两侧设有液氮注入口、排气口。


4.根据权利要求3所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述微陀螺还包括环形电极、位置检测电极，所述环形电极设置于所述陀螺转子的上表面，所述环形电极设置于所述转子静电驱动电极的外围；
所述位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴校生，梁天晨，李志超，黄山，熊越夫，曾照丰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31