双模式反磁转子静电旋转微陀螺制造技术

一种微机电技术领域双模式反磁转子静电旋转微陀螺。本发明专利技术由上定子，转子和下定子构成，上定子倒扣在下定子上，上定子和下定子两个正面相对，从而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内，所述上定子其基体正面设有上定子静电旋转电容极板组，背面设有上定子十字分隔结构和上定子永磁块，上定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着上定子永磁块；所述下定子其基体正面设有下定子静电旋转电容极板组和下定子侧向静电电极对，背面设有下定子十字分隔结构和下定子永磁块，下定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着下定子永磁块。本发明专利技术降低了转子的起支过程和起支控制难度，也就降低了工艺复杂度和控制难度，可同时检测多个自由度的加速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电
的微陀螺，具体是一种双模式反磁转子 静电旋转微陀螺。
技术介绍
众所周知，微机械惯性仪表包括微惯性传感器(微加速度计和微陀螺仪)和 微惯性测量组合(MIMU，由微惯性传感器、微控制电路等构成)，是一类重要的 微机电系统。随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功， 应用最广泛的微机电系统器件之一。主要受汽车工业的驱动，微加工振动式机械 陀螺仪在过去的几年里已得到广泛的研究，性能显著提高。与此同时，为克服振 动式微机械陀螺仪的支悬对称结构性和模态匹配对制造缺陷、温度变化等的敏感 性，既可进行振动微陀螺结构设计改进，另一方面又要尝试研制新型结构方法的 微陀螺，悬浮转子微陀螺因此已得到美、日、英等国的重视，于20世纪90年代 初着手研究，并取得了一定的研究成果。经对现有技术的文献检索发现，Takao MURAKOSHI等人在《Jpn. J. Appl. Phys.》 (Vol.42. 2003 ， 2468-2472页)上发表"Electrostatically Levitated Ring-Shaped Rotational-Gyro/Accele，eter，，，该文中提出一种盘形转子静电 悬浮微陀螺/微加速度计。其不足之处在于在转子的径向内外侧，设置有用于控 制转子径向(X、 Y方向)位置的径向控制电极，在上、下层的玻璃衬底上，设置有 用于实现转子Z轴向位置悬浮控制的轴向控制电极，这样，转子的悬浮支承需要 控制5个自由度，大大增加了对转子悬浮起支的要求，工艺也比较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种双模式反磁转子静 电旋转微陀螺，它具有可选择的双模式悬浮工作模式，其一是反磁悬浮工作模式， 其二是反磁加静电悬浮工作模式。依靠上、下定子对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力就能实现自稳悬浮，同时又可利用静电悬浮原理和下定子侧向电极来提高 微陀螺的轴向刚度、侧向刚度和抗冲击能力，增强稳定悬浮，使得在反磁加静电 悬浮工作模式下，在施加静电电压之前，转子因反磁作用己悬浮在平衡位置，所 以相比一般的静电悬浮陀螺，降低了转子的起支过程和起支控制难度，工艺上更 易实现。并且本专利技术可以同时检测包括沿X、 Y、 Z轴的三轴线加速度以及绕X、 Y轴 二轴角加速度。本专利技术是通过以下技术方案来实现。本专利技术采用的是三层结构，由上定子， 转子和下定子构成。上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子两个正面相对， 完成装配，从而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子所有结构 中正对转子的面均称之为正面，相应的另一面则称之为背面，同样，下定子所有 结构中正对转子的面亦均称之为正面，相应的另一面则称之为背面。所述上定子，包括上定子静电旋转电容极板组、上定子基体、上定子十字 分隔结构和上定子永磁块，上定子基体的正面设有上定子静电旋转电容极板组， 上定子基体的背面设有上定子十字分隔结构和上定子永磁块，上定子十字分隔结 构分隔成的四个区域上粘附着上定子永磁块。所述下定子，包括下定子静电旋转电容极板组、下定子侧向静电电极对、 下定子基体、下定子十字分隔结构和下定子永磁块，下定子基体的正面设有下定 子静电旋转电容极板组和下定子侧向静电电极对，下定子基体的背面设有下定子 十字分隔结构和下定子永磁块，下定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着 下定子永磁块。所述转子是一个圆盘形结构，在转子中间反磁结构层的上、下表面分别覆盖 着转子上表面Ti层和转子下表面Ti层。转子扇形孔洞以一定圆周均匀分布，镶 嵌在转子中。所述上定子，还设有上定子公共电容极板、上定子检测及反馈控制电容极板 组；在上定子基体的正面，由内而外依次分布着上定子公共电容极板、上定子静 电旋转电容极板组、上定子检测及反馈控制电容极板组。所述上定子基体的背面，上定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着由 四块永磁片构成的上定子永磁块，相邻永磁片同一端面的电磁极性相异。所述下定子，还设有下定子公共电容极板、下定子检测及反馈控制电容极板 组；下定子公共电容极板、下定子静电旋转电容极板组、下定子检测及反馈控制 电容极板组、下定子侧向静电电极对由内而外依次分布在下定子基体的正面。所述下定子基体的背面，下定子十字分隔结构分隔成四个区域上粘附着由四 块永磁片构成的的下定子永磁块，相邻永磁片同一端面的电磁极性相异。本专利技术有两种工作模式，可以选择在其中之一模式下工作反磁悬浮工作模 式下，上定子基体的背面包括由四块永磁片且相邻永磁片同一端面的电磁极性相 异构成的上定子永磁块，下定子基体的背面包括由四块永磁片且相邻永磁片同一 端面的电磁极性相异构成的下定子永磁块，当上定子倒扣在下定子上时，需使得 上定子和下定子的相对面在竖直方向形成N-S—一对应的磁极极性相反的关系；反 磁加静电悬浮工作模式下，上定子基体的正面分布有上定子检测及反馈控制电容 极板组，下定子基体的正面分布有下定子检测及反馈控制电容极板组，下定子基 体的正面最外圈圆周上亦分布有下定子侧向静电电极对。本专利技术转子旋转采用变电容静电旋转驱动原理，通常将上定子的静电旋转 电容极板分成三组即三相，相应地下定子的静电旋转电容极板也分成三组即三相， 相位差为120度，采用三相DC电压驱动，上、下定子的同相静电电容极板施加等 量异号的直流驱动电压，则当转子在平衡位置时，作用于转子的净轴向驱动力和 净径向驱动力都为零，但切向驱动力产生对转子的驱动转矩，驱动转子以一定的 转速旋转。通过后续电路的反馈控制，使转子保持恒高速转动，产生陀螺效应。本专利技术解决了现有技术的不足，采用可选择的双模式工作，依靠上、下定子 对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，同时还可利用静电悬浮原理和下定子侧向 静电电极对来提高微陀螺轴向刚度、侧向刚度，进而提高了抗冲击能力，实现稳 定悬浮，工艺相对简单，同时在反磁加静电悬浮工作模式下，由于在施加静电电 压之前，转子由于反磁作用己悬浮在平衡位置，相比一般的静电悬浮陀螺，降低 了转子的起支过程和起支控制难度。附图说明图1为本专利技术总体结构示意图图2为本专利技术上定子正面结构示意图 图3为本专利技术上定子背面结构示意图 图4为本专利技术下定子正面结构示意图 图5为本专利技术上定子背面结构示意图 图6为本专利技术转子结构示意图 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的一实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保 护范围不限于下述的实施例。如图l，本实施例采用的是三层结构，由上定子l、转子3和下定子2构成。 上定子1倒扣在下定子2上，使上定子和下定子两个正面相对，完成装配，从而 形成空腔，转子3则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子1所有结构中正对转子3 的面均称之为正面，相应的另一面则称之为背面，同样，下定子2所有结构中正 对转子3的面亦均称之为正面，相应的另一面则称之为背面。如图2、 3所示，上定子1包括上定子公共电容极板4、上定子静电旋转电容 极板组5、上定子检测及反馈控制电容极板组6、上定子基体7，上定子十字分隔 结构8，上定子永磁块9;在上定子基体7的正面，由内而外依次分布着上定子公 共电容极板4、上定子静电旋转电容极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双模式反磁转子静电旋转微陀螺，由上定子（１）、转子（３）和下定子（２）构成，上定子（１）倒扣在下定子（２）上，上定子（１）和下定子（２）两个正面相对，从而形成空腔，转子（３）则悬浮在此空腔内，其特征在于：所述上定子（１），包括： 上定子静电旋转电容极板组（５）、上定子基体（７）、上定子十字分隔结构（８）和上定子永磁块（９），上定子基体（７）的正面设有上定子静电旋转电容极板组（５），上定子基体（７）的背面设有上定子十字分隔结构（８）和上定子永磁块（９），上定子十字分隔结构（８）分隔成的四个区域上粘附着上定子永磁块（９）；所述下定子（２），包括：下定子静电旋转电容极板组（１１）、下定子侧向静电电极对（１３）、下定子基体（１４）、下定子十字分隔结构（１５）和下定子永磁块（１６），下定子基体（１４）的 正面设有下定子静电旋转电容极板组（１１）和下定子侧向静电电极对（１３），下定子基体（１４）的背面设有下定子十字分隔结构（１５）和下定子永磁块（１６），下定子十字分隔结构（１５）分隔成的四个区域上粘附着下定子永磁块（１６）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，张忠榕，陈文元，刘武，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]