專利名稱：電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的陀螺，具體是一種電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺。
背景技術(shù)：
在過去的二十多年的時間里，國內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細(xì)加工技術(shù)或者體微細(xì)加工技術(shù)加工出了很多種微振動陀螺，但由于種種原因微振動陀螺很難達(dá)到傳統(tǒng)陀螺的高精度。上世紀(jì)90年代，Shearwood等人提出了一種電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺，電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺是由平面線圈、感應(yīng)電極和微轉(zhuǎn)子等主要部分組成的，其中平面線圈根據(jù)其功能不同又分成懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈和穩(wěn)定線圈三種。電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺是依靠電磁感應(yīng)原理和電磁力理論得以懸浮和旋轉(zhuǎn)的，平面線圈上方放有微轉(zhuǎn)子，懸浮線圈位于最靠近中心的位置，緊靠懸浮線圈的是旋轉(zhuǎn)線圈，旋轉(zhuǎn)線圈可分為多相，微轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)磁場中，處于定子線圈最外圍的是穩(wěn)定線圈，定子線圈之間還分布著有傳感電容電極。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號為5955800，名稱為懸浮系統(tǒng)(Leivitation Systems)。該專利文中提到該系統(tǒng)是以下幾個部分組成的a)最大直徑為1500μm的高導(dǎo)電率體；b)懸浮力產(chǎn)生裝置；c)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的微型裝置。這種電磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺中，采用旋轉(zhuǎn)磁場對微轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。雖然懸浮的微轉(zhuǎn)子沒有任何機(jī)械約束，但是微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩需要克服空氣阻尼力矩和電磁阻尼的影響。旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩不夠大，因此限制了微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而限制了微陀螺精度的提高。檢索中還發(fā)現(xiàn)，在雜志《傳感器與執(zhí)行器》(《Sensors and Actuators》)第83卷(2000年)85頁的“用于陀螺上懸浮微馬達(dá)的研究進(jìn)展”(“Development of a levitated micromotor for applicationas a gyroscope”)文章中，Shearwood等人給出了這種陀螺的研究成果。針對直徑為520微米，厚度為12微米的轉(zhuǎn)子，得到的最大轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每分。該轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度微陀螺的要求。為了得到高精度的陀螺，還需要進(jìn)一步提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，采用靜電力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，使其得到的旋轉(zhuǎn)扭矩比旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的扭矩要大得多，靜電驅(qū)動扭矩能大大提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，解決了背景技術(shù)的不足。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、微轉(zhuǎn)子、穩(wěn)定懸浮線圈外圈、齒形電極、傳感電極、基體、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈、連接線。連接關(guān)系為穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈、穩(wěn)定懸浮線圈外圈、傳感電極、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極都設(shè)在基體上，和基體形成固定聯(lián)接，微轉(zhuǎn)子在電磁力作用下懸浮在基體的上方，微轉(zhuǎn)子呈圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極和齒形電極形成可變電容，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈和穩(wěn)定懸浮線圈外圈通過連接線連接。
微轉(zhuǎn)子是一種圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，在微轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極?；w上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極和微轉(zhuǎn)子上的齒形電極形成可變電容。在可變電容的靜電力的驅(qū)動下，微轉(zhuǎn)子獲得旋轉(zhuǎn)扭矩，得以高速旋轉(zhuǎn)。在微尺度下，單位體積上產(chǎn)生的靜電力通常要比電磁力大幾個數(shù)量級，可獲得的靜電扭矩要比電磁扭矩大很多。由于靜電力是在控制電路處于開路狀態(tài)下工作，靜電扭矩消耗的電功率極微小，可以根據(jù)需要來提高脈沖電壓以提高靜電扭矩，進(jìn)而提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，改善微陀螺的測量精度。另外本發(fā)明中引入的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極還可以起到微轉(zhuǎn)子限位的作用，當(dāng)微陀螺停止工作時，微轉(zhuǎn)子停留在基體上，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極的限制下，微轉(zhuǎn)子不會偏離基體中心太遠(yuǎn)，便于下次再次啟動。
目前，MEMS微陀螺大多都是采用哥氏加速度效應(yīng)的微振動陀螺。這些微陀螺不足之處是測量精度不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上傳統(tǒng)大尺度陀螺，從而限制了這些陀螺的推廣應(yīng)用。本發(fā)明提出的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺采用靜電力進(jìn)行微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，可大大提高微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而得到高精度的MEMS微陀螺。本發(fā)明得到的高精度微陀螺能將MEMS微陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域推廣到航空、航天、航海以及其他的要求高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明微陀螺的基體及其上面分布結(jié)構(gòu)的三維視圖；圖3是本發(fā)明微陀螺的微轉(zhuǎn)子三維視圖；
圖4是本發(fā)明微陀螺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極和微轉(zhuǎn)子齒形電極的俯視圖；圖5是本發(fā)明微陀螺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極上施加電壓的時序圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1、微轉(zhuǎn)子2、穩(wěn)定懸浮線圈外圈3、齒形電極4、傳感電極5、基體6、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈7、連接線8。連接關(guān)系為穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈7、穩(wěn)定懸浮線圈外圈3、傳感電極5、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1都設(shè)在基體6上，和基體6形成固定聯(lián)接，微轉(zhuǎn)子2在電磁力作用下懸浮在基體6的上方，微轉(zhuǎn)子2呈圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極4，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1和齒形電極4形成可變電容，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈7和穩(wěn)定懸浮線圈外圈3通過連接線8連接。
如圖2所示，在基體6上由外而內(nèi)分布有穩(wěn)定懸浮線圈外圈3、連接線8和穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈7，三者形成一個封閉的多圈封閉的穩(wěn)定懸浮線圈，共4個，在圓周方向上呈軸對稱分布。線圈的引線采用埋層技術(shù)制作在底層，從線圈底部引出。線圈尺寸由微轉(zhuǎn)子2的尺寸決定，穩(wěn)定懸浮線圈外圈3直徑要比環(huán)形微轉(zhuǎn)子2的外徑大，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈7直徑比環(huán)形微轉(zhuǎn)子2內(nèi)徑大。當(dāng)在穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)通過高頻電流時，根據(jù)電磁場理論，處于線圈上方的微轉(zhuǎn)子2就會受到感應(yīng)電磁力的作用。穩(wěn)定懸浮線圈外圈3電磁場在微轉(zhuǎn)子2上感應(yīng)出的電磁力分布于微轉(zhuǎn)子2的外側(cè)邊緣，且傾斜向內(nèi)。穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈7磁場產(chǎn)生的電磁力位于微轉(zhuǎn)子2內(nèi)部，且接近為軸對稱分布。穩(wěn)定懸浮線圈產(chǎn)生的分布電磁力的合力方向向上，使得微轉(zhuǎn)子2得以懸浮。當(dāng)微轉(zhuǎn)子2的中心處于基體6的中心位置時，分布電磁力的側(cè)向分力相互抵消，合力為豎直向上。當(dāng)微轉(zhuǎn)子2相對基體6中心存在偏心時，電磁力的側(cè)向分力不再抵消，產(chǎn)生的側(cè)向力方向指向轉(zhuǎn)子中心，使得微轉(zhuǎn)子2不被拋出，最終得到穩(wěn)定的懸浮。
在每個線圈的內(nèi)部有兩塊傳感電極5，共八塊。處于穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)部的一對傳感電極5組成一個檢測電容，該檢測電容和對側(cè)的一對電極組成檢測電容形成一個差分電容，一個差分電容能檢測該方向上的微轉(zhuǎn)子2偏轉(zhuǎn)角度。八塊電容極板能檢測兩個方向上的偏轉(zhuǎn)角度。在基體6上還分布有微轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1高度方向上的尺寸比懸浮后的微轉(zhuǎn)子2上表面的高度要大。在圖2給出的示例中，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1共有四組，每組又由6塊電極組成。每個傳感電極5和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1的引線也是采用埋層技術(shù)制作在線圈及電極的下層，從底層引出。
如圖3所示，微轉(zhuǎn)子2呈圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極4。微轉(zhuǎn)子2采用導(dǎo)電性能較好的金屬材料制作而成。微轉(zhuǎn)子2的外徑從幾百微米到幾千微米不等，厚度可為幾十微米。在圖3給出的示例中，微轉(zhuǎn)子2的齒形電極4共有30個。
如圖4所示，為微轉(zhuǎn)子上的齒形電極和基體上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極的俯視圖?；w6上分布的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1和環(huán)形轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的齒形電極4形成可變電容，當(dāng)在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1上施加脈沖電壓后，可變電容電極之間產(chǎn)生靜電力驅(qū)動微轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)，類似靜電步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動原理。
如圖5所示，工作時，每個電極上施加的脈沖電壓，分別為S1，S2，，S3，S4，S5，S6。為了保持微轉(zhuǎn)子2的零電位相鄰兩組電極上施加的信號極性相反。如圖5，經(jīng)過6T后，微轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)過的角度為1個微轉(zhuǎn)子2上齒形電極4的齒間距。微轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速由T的大小決定。
穩(wěn)定懸浮線圈和傳感電極5都是平面結(jié)構(gòu)，材料一般采用導(dǎo)電性能較好的銅，采用光刻電鍍微細(xì)加工方法制造。為了減小電磁能量的耗散，基體6材料采用導(dǎo)磁性能較好的鐵氧體。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極1具有很高的深寬比，可以采用準(zhǔn)LiGA或LiGA技術(shù)制造。微轉(zhuǎn)子2的材料是導(dǎo)電性能較好的銅或鋁，可以采用激光加工方法來制造。為了提供微轉(zhuǎn)子2和基體6上導(dǎo)體間的絕緣，線圈或電極上有一層絕緣材料起絕緣作用。
權(quán)利要求
1.一種電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極(1)、微轉(zhuǎn)子(2)、穩(wěn)定懸浮線圈外圈(3)、齒形電極(4)、傳感電極(5)、基體(6)、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(7)、連接線(8)，其特征在于，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(7)、穩(wěn)定懸浮線圈外圈(3)、傳感電極(5)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極(1)都設(shè)在基體(6)上，和基體(6)形成固定聯(lián)接，微轉(zhuǎn)子(2)在電磁力作用下懸浮在基體(6)的上方，微轉(zhuǎn)子(2)呈圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極(4)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極(1)和齒形電極(4)形成可變電容，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(7)和穩(wěn)定懸浮線圈外圈(3)通過連接線(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，在基體(6)上由外而內(nèi)分布有穩(wěn)定懸浮線圈外圈(3)、連接線(8)和穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(7)，三者形成一個封閉的多圈封閉的穩(wěn)定懸浮線圈，共4個，在圓周方向上呈軸對稱分布，線圈的引線采用埋層技術(shù)制作在底層，從線圈底部引出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，穩(wěn)定懸浮線圈尺寸由微轉(zhuǎn)子(2)的尺寸決定，穩(wěn)定懸浮線圈外圈(3)直徑比環(huán)形微轉(zhuǎn)子(2)的外徑大，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(7)直徑比環(huán)形微轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)徑大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者3所述的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，穩(wěn)定懸浮線圈外圈(3)電磁場在微轉(zhuǎn)子(2)上感應(yīng)出的電磁力分布于微轉(zhuǎn)子(2)的外側(cè)邊緣，且傾斜向內(nèi)；穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(7)磁場產(chǎn)生的電磁力位于微轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)部，且接近為軸對稱分布；穩(wěn)定懸浮線圈產(chǎn)生的分布電磁力的合力方向向上，使得微轉(zhuǎn)子(2)得以懸浮。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者3所述的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，在每個線圈的內(nèi)部有兩塊傳感電極(5)，共八塊，處于穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)部的一對傳感電極(5)組成一個檢測電容，該檢測電容和對側(cè)的一對電極組成檢測電容形成一個差分電容，一個差分電容能檢測該方向上的微轉(zhuǎn)子(2)偏轉(zhuǎn)角度，八塊電容極板能檢測兩個方向上的偏轉(zhuǎn)角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極(1)高度方向上的尺寸比懸浮后的微轉(zhuǎn)子(2)上表面的高度大。
全文摘要
一種電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極、微轉(zhuǎn)子、穩(wěn)定懸浮線圈外圈、齒形電極、傳感電極、基體、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈、連接線，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈、穩(wěn)定懸浮線圈外圈、傳感電極、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極都設(shè)在基體上，和基體形成固定聯(lián)接，微轉(zhuǎn)子在電磁力作用下懸浮在基體的上方，微轉(zhuǎn)子呈圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極和齒形電極形成可變電容，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈和穩(wěn)定懸浮線圈外圈通過連接線連接。本發(fā)明提出的電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺中引入了靜電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過靜電驅(qū)動可以顯著增大微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高微陀螺的測量精度，推廣微陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G01C19/08GK1804548SQ20061002345
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者吳校生, 陳文元, 趙小林, 張衛(wèi)平 申請人:上海交通大學(xué)