專利名稱：利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(MEMS)領域的微陀螺，具體地說，涉及的 是一種利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺儀。
背景技術：
MEMS器件具有微小化、低成本、低能耗、可批量化的特點，近年來，各國 的學者、工程師嘗試設計和制造懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺。在過去的二十多年的時 間里，國內(nèi)外應用硅的表面微細加工技術或者體微細加工技術加工出了很多種振 動陀螺，但由于種種原因微振動陀螺很難達到傳統(tǒng)陀螺的高精度。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為200410018015.7，名稱為 利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺。該陀螺提出了靜電懸浮轉(zhuǎn)子 結構和利用電荷弛豫驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)結構。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 靜電力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸向懸浮；同時，在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓，利用異步 電動機原理使轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。其不足之處為靜電懸浮不能自穩(wěn)控制，需要復雜 的多路解耦控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提出一種利用電磁懸浮和電荷弛 豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，能自穩(wěn)控制，且有側向穩(wěn)定電極。利用電荷 弛豫使轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子為圓環(huán)狀，不需要設置電極，加工便利，結構和控 制簡單；通過設置雙重懸浮穩(wěn)定線圈實現(xiàn)微轉(zhuǎn)子自穩(wěn)懸浮，徑向懸浮檢測電極進 一步增強了微轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮剛度，軸向懸浮檢測電極進一步增強了微轉(zhuǎn)子 的軸向穩(wěn)定懸浮剛度。解決了背景技術中不能自穩(wěn)懸浮的不足。
本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)的，本發(fā)明包括上定子、上定子、周邊結 構、微轉(zhuǎn)子，上定子、上定子上下設置，上定子、上定子和周邊結構相連構成一 個籠式結構，周邊結構設置在微轉(zhuǎn)子周圍，微轉(zhuǎn)子置于籠式結構中間，上定子包 括旋轉(zhuǎn)電極、第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、軸向懸浮檢測電極和公共電極，上定 子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定 線圈內(nèi)圈、上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極、上定子旋轉(zhuǎn)電極、上定 子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈，上定子第一個懸 浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈 內(nèi)圈、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈共同構成上定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為 帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上，每一 個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周上，且彼 此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定 子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子公共電極是一個連續(xù)的導電圓 環(huán)，上定子旋轉(zhuǎn)電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán) 的最大外徑小于微轉(zhuǎn)子的最大外徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于 微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定 子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線 圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子和下定子結構相同，垂直對應。
定子的功能有兩個， 一是旋轉(zhuǎn)功能，在其表面形成旋轉(zhuǎn)電壓行波，在轉(zhuǎn)子的 電荷弛豫層感應出滯后的電壓行波，從而帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)；一是實現(xiàn)自穩(wěn)懸浮、 位置檢測和加矩穩(wěn)定，而軸向懸浮檢測電極進一步增強了微轉(zhuǎn)子的軸向懸浮剛 度。周邊結構的功能是實現(xiàn)徑向電容檢測，并進一步增強徑向懸浮剛度。
所述的微轉(zhuǎn)子是五層圓環(huán)結構，分別為環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn) 子下表面電荷弛豫層，上絕緣層、下絕緣層，支撐層，支撐層位于中間，上表面 電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層分別通過上絕緣層、下絕緣層與支撐層 相連。
所述的微轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層采用注硼慘雜多晶 硅材料，上絕緣層、下絕緣層采用Si02材料，支撐層采用Si材料。
所述的周邊結構是一個圓環(huán)式結構，包括外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向 懸浮檢測電極，同一徑向的外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向懸浮檢測電極位于 以平衡位置時轉(zhuǎn)子中心為圓心的同一扇形區(qū)內(nèi)。徑向懸浮檢測電極分別位于微轉(zhuǎn) 子的圓環(huán)內(nèi)側和外側，外圍徑向懸浮檢測電極有八個電極組成，內(nèi)圍徑向懸浮檢測電極有八個電極組成。這八個電極分別可以實現(xiàn)增強徑向懸浮剛度和徑向檢測 的功能。為了保證整個器件的性能，可采用真空封裝。
本發(fā)明不僅具有能夠自穩(wěn)的設置第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個懸浮穩(wěn) 定線圈外圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈和環(huán)形轉(zhuǎn)子， 而且具有軸向和徑向兩個懸浮設置，多個懸浮設置可以相互補充，提高陀螺整體 懸浮剛度和效果。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子懸浮第一個懸浮線圈外圈、第一個懸浮線圈內(nèi)圈、第二個懸 浮線圈外圈、第二個懸浮線圈內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子構成一個穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)。通過在四個線 圈上同時施加特定的交流電產(chǎn)生出磁場，與環(huán)形轉(zhuǎn)子交互作用，才能實現(xiàn)自穩(wěn)懸 浮。具體為在第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上加交流電，在第一個懸浮穩(wěn)定線圈外 圈上加相同頻率、幅值相等、相位相差180度的交流電；在第二個懸浮穩(wěn)定線圈 內(nèi)圈上施加交流電，在第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上加相同頻率，幅值相等，相位 相差180度的交流電，即實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。根據(jù)電磁場效應，在微轉(zhuǎn)子上感應 出的電磁力使得微轉(zhuǎn)子得以懸浮。通過設置徑向懸浮檢測電極進一步增強了環(huán)形 轉(zhuǎn)子的徑向懸浮剛度，通過設置軸向懸浮檢測電極進一步增強環(huán)形微轉(zhuǎn)子軸向懸 浮剛度，當轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時，在徑向電極對上施加電壓實現(xiàn)懸浮。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓脈沖，在定子表面形成旋 轉(zhuǎn)電壓行波，由于電荷弛豫作用，在轉(zhuǎn)子上感應出滯后的電壓行波，進而帶動轉(zhuǎn) 子恒高速轉(zhuǎn)動。屬于異步電動機工作原理，不需要位置檢測和反饋回路。
本發(fā)明位置檢測徑向位置是通過提取徑向懸浮檢測電極和環(huán)形轉(zhuǎn)子之間的 電容值來實現(xiàn)的。軸向位置檢測是通過提取上下定子軸向懸浮檢測電極與環(huán)形轉(zhuǎn) 子之間的電容值來實現(xiàn)的。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下的有益效果結構簡單，利用電荷弛豫原 理，通過定子表面旋轉(zhuǎn)電壓行波，在轉(zhuǎn)子感應出滯后的電壓行波，進而帶動轉(zhuǎn)子 恒高速轉(zhuǎn)動，不需要轉(zhuǎn)速檢測即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動。通過雙重懸浮線圈實現(xiàn)環(huán) 形轉(zhuǎn)子的自穩(wěn)定懸浮。徑向懸浮檢測電極進一步增強了微轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮剛 度，軸向懸浮檢測電極進一步增強了微轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定懸浮剛度。整個器件采用 MEMS微加工技術制成，易于實施。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低 功耗的特點。


圖l本發(fā)明總體結構示意圖； 圖2本發(fā)明上定子結構示意圖； 圖3本發(fā)明周邊結構示意圖； 圖4本發(fā)明轉(zhuǎn)子結構示意圖5本發(fā)明下定子結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細的說明本實施例在以本發(fā)明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍并不 限于下述的實施例。
如圖l、 2所示，本實施例包括上定子l、下定子4、周邊結構2、微轉(zhuǎn)子
3，上定子l、下定子4上下設置，上定子l、下定子4和周邊結構2相連構成一 個籠式結構，周邊結構2設置在微轉(zhuǎn)子3周圍，微轉(zhuǎn)子3置于籠式結構中間，上 定子包括上定子旋轉(zhuǎn)電極、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個懸 浮穩(wěn)定線圈外圈7、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個懸浮穩(wěn)定 線圈外圈5、上定子軸向懸浮檢測電極和上定子公共電極9，
上定子l從內(nèi)到外，依次是上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第 一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈7、上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極9、上定 子旋轉(zhuǎn)電極、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi) 圈5，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7， 上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈5共同構成 上定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以 上定子1中心為圓心的圓上，每一個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以 下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，以某一塊為起始設為A相，則按 順時針方向與之相鄰的旋轉(zhuǎn)電極為B、 C，接著繼續(xù)以"A、 B、 C"循環(huán)，上定子 軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周 上，且彼此間隔相等，上定子公共電極9是一個連續(xù)的導電圓環(huán)，上定子旋轉(zhuǎn)電 極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子3的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán)的最大外徑小于 微轉(zhuǎn)子3的最大外徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑，上定子第二 個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子3的外徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈 外圈5的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的外徑，上定子1和下定子4結構相同，垂直對應。
如圖2所示，上定子1的旋轉(zhuǎn)電極是包括上定子第一旋轉(zhuǎn)電極18、上定 子第二旋轉(zhuǎn)電極19、上定子第三旋轉(zhuǎn)電極20、上定子第四旋轉(zhuǎn)電極21、上定子 第五旋轉(zhuǎn)電極22、上定子第六旋轉(zhuǎn)電極23、上定子第七旋轉(zhuǎn)電極24、上定子第 八旋轉(zhuǎn)電極25、上定子第九旋轉(zhuǎn)電極26、上定子第十旋轉(zhuǎn)電極27、上定子第十 一旋轉(zhuǎn)電極28、上定子第十二旋轉(zhuǎn)電極29，每一個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形， 均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，以某一塊為起始 設為A相，則按順時針方向與之相鄰的旋轉(zhuǎn)電極為B、 C，接著繼續(xù)以"A、 B、 C"循環(huán)；上定子旋轉(zhuǎn)電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子3的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電 極圓環(huán)的最大外徑小于微轉(zhuǎn)子3的最大外徑。
上定子軸向懸浮檢測電極包括上定子軸向第一懸浮檢測電極10、上定子 軸向第二懸浮檢測電極ll、上定子軸向第三懸浮檢測電極12、上定子軸向第四 懸浮檢測電極13、上定子軸向第五懸浮檢測電極14、上定子軸向第六懸浮檢測 電極15、上定子軸向第七懸浮檢測電極16、上定子軸向第八懸浮檢測電極17， 上定子軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心 的圓周上，且彼此間隔相等。
如圖5所示，下定子4是由下定子第一旋轉(zhuǎn)電極64、下定子第二旋轉(zhuǎn)電極 65、下定子第三旋轉(zhuǎn)電極66、下定子第四旋轉(zhuǎn)電極67、下定子第五旋轉(zhuǎn)電極68、 下定子第六旋轉(zhuǎn)電極69、下定子第七旋轉(zhuǎn)電極70、下定子第八旋轉(zhuǎn)電極71、下 定子第九旋轉(zhuǎn)電極72、下定子第十旋轉(zhuǎn)電極73、下定子第十一旋轉(zhuǎn)電極74、下 定子第十二旋轉(zhuǎn)電極75，下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸 浮穩(wěn)定線圈外圈53，下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下定子第二個懸浮穩(wěn) 定線圈外圈51，下定子第一懸浮檢測電極56、下定子軸向第二懸浮檢測電極57、 下定子軸向第三懸浮檢測電極58、下定子軸向第四懸浮檢測電極59、下定子軸 向第五懸浮檢測電極60、下定子軸向第六懸浮檢測電極61、下定子軸向第七懸 浮檢測電極62、下定子軸向第八懸浮檢測電極63和下定子公共電極55構成。
他們之間的連接關系是下定子4從內(nèi)到外，依次是下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈53、下定子軸向懸浮檢測電極、 下定子公共電極55、下定子旋轉(zhuǎn)電極、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下 定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈51。
下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈53， 下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈51共同構 成下定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在 以下定子中心為圓心的圓上；每一個下定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以 下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，以某一塊為起始設為A相，則按 順時針方向與之相鄰的旋轉(zhuǎn)電極為B、 C，接著繼續(xù)以"A、 B、 C"循環(huán)；下定子 軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周 上，且彼此間隔相等；下定子公共電極55是一個連續(xù)的導電圓環(huán)；下定子旋轉(zhuǎn) 電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子3的最小內(nèi)徑，而下定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán)的最大外徑小 于微轉(zhuǎn)子3的最大外徑。下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子 的內(nèi)徑，下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈53的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑；下定 子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子3的外徑，下定子第二個懸浮 穩(wěn)定線圈外圈51的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的外徑。
假設參考坐標系如下x軸平行于以上定子第二軸向懸浮檢測電極11和上 定子第三軸向懸浮檢測電極12的中線，y軸平行于以上定子第四軸向懸浮穩(wěn)定 電極13和上定子第五軸向懸浮穩(wěn)定電極14的中線，z軸垂直于x和y軸。原點 是當環(huán)形轉(zhuǎn)子位于平衡位置時的幾何中心點。
上定子1結構和下定子4結構在空間上是垂直對應的，即上定子1結構沿z 軸在下定子4上的投影是重合的。具體為上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7 沿z軸在下定子4上的投影與下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈53是重合的，上 定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8沿z軸在下定子上的投影與下定子第一個懸浮穩(wěn) 定線圈內(nèi)圈54是重合的。依次類推，上定子1其他結構沿z軸在下定子4上的 投影與下定子4其他結構是重合的。
如圖3所示，微轉(zhuǎn)子3是五層圓環(huán)結構，分別為環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層 46、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層50，上絕緣層48、下絕緣層49，支撐層47，支 撐層47位于中間，上表面電荷弛豫層46、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層50分別通過上絕緣層48、下絕緣層49與支撐層47相連。
微轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層46、轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層50采用注硼摻雜多晶 硅材料，上絕緣層48、下絕緣層49采用Si02材料，支撐層47采用Si材料。
如圖4所示，周邊結構2是一個圓環(huán)式結構，包括外圍徑向懸浮檢測電極和 內(nèi)圍徑向懸浮檢測電極，同一徑向的外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向懸浮檢測 電極位于以平衡位置時轉(zhuǎn)子中心為圓心的同一扇形區(qū)內(nèi)。
外圍徑向懸浮檢測電極包括外圍第一徑向懸浮檢測電極30、外圍第二徑 向懸浮檢測電極31、外圍第三徑向懸浮檢測電極32、外圍第四徑向懸浮檢測電 極33、外圍第五徑向懸浮檢測電極34、外圍第六徑向懸浮檢測電極35、外圍第 七徑向懸浮檢測電極36、外圍第八徑向懸浮檢測電極37;內(nèi)圍徑向懸浮檢測電 極包括內(nèi)圍第一徑向懸浮檢測電極45、內(nèi)圍第二徑向懸浮檢測電極38、內(nèi)圍 第三徑向懸浮檢測電極39、內(nèi)圍第四徑向懸浮檢測電極40、內(nèi)圍第五徑向懸浮 檢測電極41、內(nèi)圍第六徑向懸浮檢測電極42、內(nèi)圍第七徑向懸浮檢測電極43、 內(nèi)圍第八徑向懸浮檢測電極44。這些徑向懸浮檢測電極可以進一步增強徑向的 懸浮剛度、實現(xiàn)電容檢測。
自穩(wěn)懸浮技術是本發(fā)明的關鍵技術。上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上 定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第 二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈5組成上定子自穩(wěn)懸浮穩(wěn)定線圈。該陀螺工作時，在上定 子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈7上通幅值相同， 頻率相等，相位相差180度的交流電，同時在上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、 上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈5上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的 交流電；在下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈54、下定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外 圈53上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的交流電，同時在下定子第二 個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈52、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈51上通幅值相同，頻 率相等，相位相差180度的交流電。根據(jù)電磁場理論，處于線圈中的微轉(zhuǎn)子3 會受到感應電磁力的作用，最終得到穩(wěn)定的懸浮。另外，軸向懸浮檢測電極可進 一步增強了本發(fā)明的軸向懸浮剛度。
徑向懸浮通過徑向懸浮檢測電極來實現(xiàn)。當轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時，在相應的 徑向電極上施加直流電壓可進一步增強徑向懸浮剛度，具體為若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸正向移動，即當環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向內(nèi)圍第一徑向懸浮檢測電極45和內(nèi)圍第二徑向 懸浮檢測電極38方向運動時，則在外圍第一徑向懸浮檢測電極30、外圍第二徑 向懸浮檢測電極31上施加幅值相等，極性相反的直流電壓，在內(nèi)圍第五徑向懸 浮檢測電極41、內(nèi)圍第六徑向懸浮檢測電極42也施加幅值相等，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軸負向發(fā)生移動，可依此類推；
若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸正向發(fā)生移動，即當環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向內(nèi)圍第三徑向懸浮檢測電極 39和內(nèi)圍第四徑向懸浮檢測電極40方向運動時，則在外圍第三徑向懸浮檢測電 極32、外圍第四徑向懸浮檢測電極33上施加幅值相等，極性相反的直流電壓， 在內(nèi)圍第七徑向懸浮檢測電極43、內(nèi)圍第八徑向懸浮檢測電極44也施加幅值相 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軸負向發(fā)生移 動，可依此類推。
本陀螺的旋轉(zhuǎn)是通過電荷弛豫作用實現(xiàn)的。在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓 脈沖，在定子表面形成旋轉(zhuǎn)電壓行波，由于電荷弛豫作用，在轉(zhuǎn)子上感應出滯后 的電壓行波，進而帶動轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動，不需要位置檢測和反饋回路。
本陀螺工作時，其位置檢測是這樣完成的
(1) 當用于檢測豎直方向z軸環(huán)形轉(zhuǎn)子的位移信號時，若轉(zhuǎn)子向上或向下 平移，給上定子第八軸向懸浮檢測電極17、上定子第一軸向懸浮檢測電極10施 加頻率為fl的高頻交流電，而在下定子軸向第八懸浮檢測電極63、下定子軸向 第一懸浮檢測電極56施加相同頻率、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ll、上定子第三軸向懸浮檢測電極12施加 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57、下定子軸向第 三懸浮檢測電極58施加相同頻率、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，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。
(2) 當用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子繞y軸的位置變化時，給上定子第二軸向懸浮檢 測電極ll、上定子第三軸向懸浮檢測電極12施加頻率為f2的高頻交流電，在下定子第二軸向懸浮檢測電極57、下定子第三軸向懸浮檢測電極58施加相同頻 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15、上定子第七軸向懸浮檢測電極16施加頻率為f4的高頻交流電，而在 下定子第六軸向懸浮檢測電極61、下定子第七軸向懸浮檢測電極62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，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的z軸信號。
(3) 當用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子繞x軸的位置變化時，給上定子第八軸向懸浮檢 測電極17、上定子第一軸向懸浮檢測電極5施加頻率為fl的高頻交流電，在下 定子第八軸向懸浮檢測電極63、下定子第一軸向懸浮檢測電極56施加相同頻率、 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 13、上定子第五軸向懸浮檢測電極14施加頻率為f3的高頻交流電，而在下定子 第四軸向懸浮檢測電極59、下定子第五軸向懸浮檢測電極60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，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的z軸信號。
(4) 當用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸發(fā)生位移時，在外圍第一徑向懸浮檢測電 極30、外圍第二徑向懸浮檢測電極31施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第一徑向懸浮 檢測電極45、內(nèi)圍第二徑向懸浮檢測電極38施加相同頻率、幅值大小相等、相 位差180度的高頻交流載波；外圍第五徑向懸浮檢測電極34、外圍第六徑向懸 浮檢測電極35施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第五徑向懸浮檢測電極41、內(nèi)圍第六 徑向懸浮檢測電極32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，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的 x軸信號。轉(zhuǎn)子沿x軸負向發(fā)生偏移，依此類推。
(5) 當用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸發(fā)生位移時，在外圍第三徑向懸浮檢測電 極32、外圍第四徑向懸浮檢測電極33施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第三徑向懸浮 檢測電極39、內(nèi)圍第四徑向懸浮檢測電極40施加相同頻率、幅值大小相等、相 位差180度的高頻交流載波；外圍第七徑向懸浮檢測電極36、外圍第八徑向懸 浮檢測電極37施加高頻交流電，而在內(nèi)圍第七徑向懸浮檢測電極43、內(nèi)圍第八 徑向懸浮檢測電極44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，經(jīng)過電路調(diào)理可以檢測出輸入的y軸信號。
陀螺儀可敏感二軸角速度。假設該陀螺的轉(zhuǎn)子繞z軸轉(zhuǎn)動的角速度為幼，轉(zhuǎn)
動慣量為I，該陀螺以角速度v繞y軸轉(zhuǎn)動，由于陀螺的定軸性，轉(zhuǎn)子將會在x 軸向發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)角為v，，位于上定子1和下定子4上的相應的檢測電極通過 施加相應的高頻載波，就會檢測到轉(zhuǎn)子的位置偏移，從而在相應的懸浮電極上施 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。當陀螺殼體受到如沿x軸正向的線加 速度ax時，轉(zhuǎn)子由于慣性仍然靜止，則轉(zhuǎn)子相對定子有沿x軸負向的線位移。 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。
權利要求
1、一種電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，包括上定子、下定子、周邊結構、微轉(zhuǎn)子，上定子、下定子上下設置，上定子、下定子和周邊結構相連構成一個籠式結構，周邊結構設置在微轉(zhuǎn)子周圍，微轉(zhuǎn)子置于籠式結構中間，其特征在于上定子包括旋轉(zhuǎn)電極、第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈、軸向懸浮檢測電極和公共電極，上定子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子軸向懸浮檢測電極、上定子公共電極、上定子旋轉(zhuǎn)電極、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、下定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈共同構成上定子懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上，每一個上定子旋轉(zhuǎn)電極都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測電極的每一個都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子公共電極是一個連續(xù)的導電圓環(huán)，上定子旋轉(zhuǎn)電極的最小內(nèi)徑大于微轉(zhuǎn)子的最小內(nèi)徑，而上定子旋轉(zhuǎn)電極圓環(huán)的最大外徑小于微轉(zhuǎn)子的最大外徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子第二個懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子和下定子結構相同，垂直對應。
2、 根據(jù)權利要求1所述的利用電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺， 其特征是，所述的微轉(zhuǎn)子是五層圓環(huán)結構，分別為環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、 環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層，上絕緣層、下絕緣層，支撐層，支撐層位于中間， 環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層分別通過上絕緣層、下 絕緣層與支撐層相連。
3、 根據(jù)權利要求2所述的利用電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺， 其特征是，所述的環(huán)形轉(zhuǎn)子上表面電荷弛豫層、環(huán)形轉(zhuǎn)子下表面電荷弛豫層采用注硼摻雜多晶硅材料，上絕緣層、下絕緣層采用Si02材料，支撐層采用Si材料。
4、根據(jù)權利要求1所述的利用電磁懸浮電荷弛豫驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺，其特征是，所述的周邊結構是一個圓環(huán)式結構，包括外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi) 圍徑向懸浮檢測電極，同一徑向的外圍徑向懸浮檢測電極和內(nèi)圍徑向懸浮檢測電 極位于以平衡位置時轉(zhuǎn)子中心為圓心的同一扇形區(qū)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，用于衛(wèi)星，汽車等導航控制領域。本發(fā)明由上下定子、微轉(zhuǎn)子、周邊結構構成一個籠式結構。定子包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、軸向懸浮檢測電極、第一個懸浮穩(wěn)定線圈、第二個懸浮穩(wěn)定線圈，定子固聯(lián)在襯底上。微轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下懸浮在定子之間，微轉(zhuǎn)子成圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)外側均布置有周圍結構，周圍結構主要是徑向懸浮電極和徑向懸浮檢測電極。本發(fā)明結構簡單，提出電磁懸浮電荷弛豫旋轉(zhuǎn)結構，通過軸向設置內(nèi)外兩層懸浮穩(wěn)定線圈，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子自穩(wěn)懸浮，軸向和徑向懸浮檢測電極可進一步增強懸浮剛度及實現(xiàn)位置檢測。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低功耗的特點。
文檔編號B81B7/02GK101561275SQ20091005214
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2009年5月27日
發(fā)明者凱 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛(wèi)平, 陳文元 申請人:上海交通大學