專利名稱：雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計的制作方法
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)域的微加速度計，具體是一種雙模式反磁 敏感質(zhì)量微加速度計。
背景技術(shù)：
眾所周知,微機(jī)械慣性儀表包括微慣性傳感器(微加速度計和微陀螺儀)和微 慣性測量組合(MIMU，由微慣性傳感器、微控制電路等構(gòu)成)，是一類重要的微 機(jī)電系統(tǒng)。目前，MEMS加速度計是所有MEMS傳感器中發(fā)展應(yīng)用最為成功的，中 低精度的微機(jī)械加速度計已有產(chǎn)品問世，正在推廣應(yīng)用，并向更高精度發(fā)展。懸 浮式微加速度計相比非懸浮式的微加速度計由于消除了由于制造工藝以及機(jī)械連 接支撐所帶來的熱噪聲對于支撐剛度的影響，理論上可以獲得極高的分辨率。在 軍民兩用方面如慣性導(dǎo)航、GPS備用、虛擬現(xiàn)實(shí)、慣性鼠標(biāo)、生物醫(yī)療、汽車安 全等電子消費(fèi)類產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用前景，因此已經(jīng)得到世界各國的普遍重視。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，劉云峰、丁衡高、董景新等人在《清華大學(xué) 學(xué)報(自然科學(xué)版)》(2007年第47巻第2期，181-185頁)上發(fā)表"靜電懸浮微機(jī) 械加速度計設(shè)計"，該文中提出一種盤形轉(zhuǎn)子靜電懸浮微加速度計。其不足之處 在于需要提供懸浮電極和徑向控制電極對質(zhì)量塊(轉(zhuǎn)子)進(jìn)行5自由度位置控制， 實(shí)現(xiàn)靜電懸浮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供了一種雙模式反磁轉(zhuǎn)子感 應(yīng)旋轉(zhuǎn)微陀螺，使其具有可選擇的反磁懸浮工作模式和反磁加靜電懸浮的雙模式 懸浮工作模式。依靠上、下定子對反磁轉(zhuǎn)子提供懸浮力和側(cè)向穩(wěn)定力就能實(shí)現(xiàn)自 穩(wěn)懸浮，同時又可利用靜電懸浮原理和下定子側(cè)向靜電電極來提高微陀螺的軸向 剛度、側(cè)向剛度和抗沖擊能力，增強(qiáng)穩(wěn)定懸浮，使得在反磁加靜電懸浮工作模式 下，在施加靜電電壓之前，轉(zhuǎn)子因反磁作用己懸浮在平衡位置，所以相比一般的 靜電懸浮微加速度計，降低了轉(zhuǎn)子的起支過程和起支控制難度。并且本發(fā)明可以
同時檢測包括沿X、 Y、 Z軸的三軸線加速度以及繞X、 Y軸二軸角加速度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明由上定子，轉(zhuǎn)子和下定子三部分 構(gòu)成，上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子兩個頂面相對，完成裝配，從 而形成空腔，轉(zhuǎn)子則懸浮在此空腔內(nèi)。在裝配時，上定子結(jié)構(gòu)中正對轉(zhuǎn)子的面均 稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面，同樣，下定子結(jié)構(gòu)中正對轉(zhuǎn)子的面亦 均稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面。
所述下定子包括下定子側(cè)向靜電電極、下定子基體、下定子十字分隔結(jié)構(gòu)、 下定子永磁塊；下定子側(cè)向靜電電極分布在下定子基體的頂面的最外圍，且沿圓 周分布；在下定子基體的底面，下定子十字分隔結(jié)構(gòu)沿下定子基體表面幾何結(jié)構(gòu) 的中線位置分布，將下定子基體的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘 附著下定子永磁塊；
所述上定子主要結(jié)構(gòu)包括上定子基體、上定子十字分隔結(jié)構(gòu)、上定子永磁塊; 在上定子基體的底面，上定子十字分隔結(jié)構(gòu)沿上定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位 置分布，將上定子基體的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著上定 子永磁塊。
所述轉(zhuǎn)子是一個圓盤形結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子上表面Ti層、轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層， 轉(zhuǎn)子下表面Ti層，在轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層的上、下表面分別覆蓋著轉(zhuǎn)子上表面Ti 層和轉(zhuǎn)子下表面Ti層。
所述下定子還包括下定子公共電容極板和下定子檢測及反饋控制電容極板 組；在下定子基體的頂面上由內(nèi)而外依次分布著下定子公共電容極板、下定子檢 測及反饋控制電容極板組、下定子側(cè)向靜電電極。
所述上定子還包括上定子公共電容極板和上定子檢測及反饋控制電容極板 組；在上定子基體的頂面上由內(nèi)而外依次分布著上定子公共電容極板和上定子檢 測及反饋控制電容極板組。
本發(fā)明有兩種工作模式，可以選擇在其中之一模式下工作反磁懸浮工作模 式下，上定子基體的底面包括由四塊永磁片且相鄰永磁片同一端面的電磁極性相 異構(gòu)成的上定子永磁塊，下定子基體的底面包括由四塊永磁片且相鄰永磁片同一 端面的電磁極性相異構(gòu)成的下定子永磁塊，當(dāng)上定子倒扣在下定子上時，需使得 上定子和下定子的相對面在豎直方向形成N-S—一對應(yīng)的磁極極性相反的關(guān)系；反
磁加靜電懸浮工作模式下，上定子基體的頂面分布有上定子檢測及反饋控制電容 極板組，下定子基體的頂面分布有下定子檢測及反饋控制電容極板組，在下定子 基體的頂面最外圈圓周上分布有下定子側(cè)向靜電電極對。
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用可選擇的雙模式工作，依靠上、下定子 對反磁轉(zhuǎn)子提供懸浮力和側(cè)向穩(wěn)定力，同時還可利用靜電懸浮原理和下定子側(cè)向 靜電電極對來提高微陀螺軸向剛度、側(cè)向剛度，進(jìn)而提高了抗沖擊能力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn) 定懸浮，工藝相對簡單，同時在反磁加靜電懸浮工作模式下，由于在施加靜電電 壓之前，轉(zhuǎn)子由于反磁作用已懸浮在平衡位置，相比一般的靜電懸浮微加速度計， 降低了轉(zhuǎn)子的起支過程和起支控制難度，可同時檢測包括沿X、 Y、 Z軸的線加速度 以及繞X、 Y軸角加速度等多個自由度的加速度。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)頂面示意圖
圖3為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)底面示意圖
圖4為本發(fā)明上定子結(jié)構(gòu)頂面示意圖
圖5為本發(fā)明上定子結(jié)構(gòu)底面示意圖
圖6為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例采用的是三層結(jié)構(gòu)，由上定子1、轉(zhuǎn)子3和下定子2 構(gòu)成。上定子1倒扣在下定子2上，使上定子1和下定子2兩個頂面相對，完成 裝配，從而形成空腔，轉(zhuǎn)子3則懸浮在此空腔內(nèi)。在裝配時，上定子1結(jié)構(gòu)中正 對轉(zhuǎn)子3的面均稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面，同樣，下定子2結(jié)構(gòu) 中正對轉(zhuǎn)子3的面亦均稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面。
如圖2、 3所示，下定子2包括下定子公共電容極板4、下定子檢測及反饋控 制電容極板組5、下定子側(cè)向靜電電極6、下定子基體7、下定子十字分隔結(jié)構(gòu)8、 下定子永磁塊9。在下定子基體7的頂面，由內(nèi)而外依次分布著下定子公共電容極
板4、下定子檢測及反饋控制電容極板組5、下定子側(cè)向靜電電極6;在下定子基 體7的底面，下定子十字分隔結(jié)構(gòu)8沿下定子基體7表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置分 布，將下定子基體7的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著下定子 永磁塊9。
如圖4、 5所示，上定子1包括上定子公共電容極板10、上定子檢測及反饋控制 電容極板組ll、上定子基體12、上定子十字分隔結(jié)構(gòu)13、上定子永磁塊14。在上 定子基體12的頂面，由內(nèi)而外依次分布著上定子公共電容極板IO、上定子檢測及 反饋控制電容極板組ll;在上定子基體12的底面，上定子十字分隔結(jié)構(gòu)13沿上定 子基體12表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置分布，將上定子基體12的底面空間分隔成四個 區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著上定子永磁塊14。
如圖6所示，轉(zhuǎn)子3是一個圓盤形結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子上表面Ti層15、轉(zhuǎn)子中間反 磁結(jié)構(gòu)層16、轉(zhuǎn)子下表面Ti層17。在轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層16的上、下表面分別覆 蓋著轉(zhuǎn)子上表面Ti層15和轉(zhuǎn)子下表面Ti層17。轉(zhuǎn)子3的圓周邊緣與下定子檢測及反 饋控制電容極板組5和上定子檢測及反饋控制電容極板組l 1的外圓弧邊緣在豎直 方向上對齊。轉(zhuǎn)子3外徑與下定子檢測及反饋控制電容極板組5以及上定子檢測及 反饋控制電容極板組l 1的外徑相等。
如圖3、 5，在下定子基體7的底面，下定子十字分隔結(jié)構(gòu)8分隔成四個區(qū)域 上粘附著的下定子永磁塊9是由四塊永磁片構(gòu)成的，相鄰永磁片同一端面的電磁 極性相異；同樣，在上定子基體12的底面，上定子十字分隔結(jié)構(gòu)13分隔成四個 區(qū)域上粘附著的上定子永磁塊14也是由四塊永磁片構(gòu)成的，相鄰永磁片同一端面 的電磁極性相異；當(dāng)上定子倒扣在下定子上時，需使得上定子1和下定子2的相 對面在豎直方向形成N-S —一對應(yīng)的磁極極性相反的關(guān)系，則它們之間的吸引力 使得上定子1和下定子2的接合更加緊密。
如圖2、 3、 4、 5、 6，本實(shí)施例工作時，包括以下三個方面 (1)當(dāng)用于檢測豎直方向z軸輸入的加速度信號時，給上定子檢測及反饋控 制電容極板組11和下定子檢測及反饋控制電容極板組5施加同頻率、幅值大小相 等、相位差180度的高頻交流載波，通過上定子公共電容極板10和下定子公共電容 極板4輸出差分電容信號，經(jīng)電路后處理可以檢測出輸入的z軸加速度，同時通過 給上定子檢測及反饋控制電容極板組11和下定子檢測及反饋控制電容極板組5施
加幅值相等、極性相反的直流反饋電壓把轉(zhuǎn)子3拉回到平衡位置；
(2) 當(dāng)用于檢測水平方向x軸輸入的加速度信號時，給上定子檢測及反饋控 制電容極板組11左上兩塊電容極板和下定子檢測及反饋控制電容極板組5左下兩 塊電容極板，以及上定子檢測及反饋控制電容極板組ll右下兩塊電容極板和下定 子檢測及反饋控制電容極板組5右上兩塊電容極板分別施加同頻率、幅值大小相 等、相位差180度的高頻交流載波，通過上定子公共電容極板10和下定子公共電容 極板4輸出差分電容信號，經(jīng)電路后處理可以檢測出輸入的x軸加速度，同時通過 給上定子檢測及反饋控制電容極板組ll左上兩塊電容極板和下定子檢測及反饋控 制電容極板組5左下兩塊電容極板，以及上定子檢測及反饋控制電容極板組ll右下 兩塊電容極板和下定子檢測及反饋控制電容極板組5右上兩塊電容極板施加幅值 相等、極性相反的直流反饋電壓把轉(zhuǎn)子3拉回到平衡位置；
(3) 當(dāng)用于檢測豎直方向y軸輸入的加速度信號時，給上定子檢測及反饋控 制電容極板組11左下兩塊電容極板和下定子檢測及反饋控制電容極板組5左上兩 塊電容極板，以及上定子檢測及反饋控制電容極板組ll右上兩塊電容極板和下定 子檢測及反饋控制電容極板組5右下兩塊電容極板分別施加同頻率、幅值大小相 等、相位差180度的高頻交流載波，通過上定子公共電容極板10和下定子公共電容 極板4輸出差分電容信號，經(jīng)電路后處理可以檢測出輸入的z軸加速度，同時通過 給上定子檢測及反饋控制電容極板組ll左下兩塊電容極板和下定子檢測及反饋控 制電容極板組5左上兩塊電容極板，以及上定子檢測及反饋控制電容極板組ll右上 兩塊電容極板和下定子檢測及反饋控制電容極板組5右下兩塊電容極板施加幅值 相等、極性相反的直流反饋電壓把轉(zhuǎn)子3拉回到平衡位置。
本發(fā)明有兩種工作模式，可以選擇在其中之一模式下工作 其一是反磁懸浮工作模式，由于上定子1和下定子2的底面均粘附有永磁片， 而轉(zhuǎn)子3本身是反磁體，轉(zhuǎn)子3與上定子1和下定子2之間就會形成相互作用力即抗 磁力為懸浮反磁轉(zhuǎn)子提供了Z向(軸向)懸浮力，同時也為轉(zhuǎn)子3提供沿X、 Y軸方 向的側(cè)向穩(wěn)定力，進(jìn)而轉(zhuǎn)子3實(shí)現(xiàn)了在上定子1和下定子2間的自穩(wěn)定懸浮。其二是 反磁加靜電懸浮工作模式，通過給下定子檢測及反饋控制電容極板組5和上定子檢 測及反饋控制電容極板組ll施加電壓，下定子2與轉(zhuǎn)子3、上定子1和轉(zhuǎn)子3之間產(chǎn) 生的靜電力，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子3的軸向剛度，通過在定子外圍分布的下定子側(cè)向靜電電
極6上施加反饋控制電壓，下定子側(cè)向靜電電極6與轉(zhuǎn)子3產(chǎn)生靜電力，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子
3的側(cè)向剛度。在上定子檢測及反饋控制電容極板組ll、下定子檢測及反饋控制電 容極板組5、下定子側(cè)向靜電電極6對上施加載波，當(dāng)存在軸向和側(cè)向偏離的時候， 通過對上定子公共電容極板10和下定子公共電容極板4上感生出的信號進(jìn)行拾取、 放大、調(diào)制解調(diào)等處理，并進(jìn)行判斷，在相應(yīng)電容極板組或側(cè)向靜電電極上增加 電壓，產(chǎn)生的靜電力將微轉(zhuǎn)子拉回到平衡位置。這樣可以提高處于反磁懸浮狀態(tài) 下轉(zhuǎn)子的軸向和側(cè)向剛度，提高微陀螺的抗沖擊能力，保障轉(zhuǎn)子3在上定子1和下 定子2間更穩(wěn)定懸浮。同時，在反磁加靜電懸浮工作模式下，由于在施加靜電電壓 之前，轉(zhuǎn)子3由于反磁作用已懸浮在平衡位置，相比一般的靜電懸浮微加速度計， 降低了轉(zhuǎn)子3的起支過程和起支控制難度。這兩種模式都為微加速度計的正常工作 提供保障。
本發(fā)明的工藝采用微細(xì)加工技術(shù)(MEMS工藝)與精密加工相結(jié)合，具體是上 定子I上的上定子公共電容極板IO、上定子檢測及反饋控制電容極板組ll、上定子 十字分隔結(jié)構(gòu)13，以及下定子2上的下定子公共電容極板4、下定子檢測及反饋控 制電容極板組5、下定子側(cè)向靜電電極6、下定子十字分隔結(jié)構(gòu)8采用微細(xì)加工技術(shù) 實(shí)現(xiàn)；電容極板和側(cè)向靜電電極材料一般采用導(dǎo)電性能較好的是銅，工藝一般采 用光刻電鍍的微細(xì)加工技術(shù)；上定子十字分隔結(jié)構(gòu)13和下定子十字分隔結(jié)構(gòu)8可以 采用的絕緣且導(dǎo)磁能力不強(qiáng)的材料如SU8負(fù)膠，通過甩厚膠并光刻的微細(xì)加工技 術(shù)；下定子永磁塊9和上定子永磁塊14采用永磁材料，如鈷鎳錳磷(CoNiMnP)、釹 鐵硼(NdFeB)精密加工并充磁得到；轉(zhuǎn)子3則是先在基片即轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層 的兩表面濺射Ti，然后經(jīng)微細(xì)電火花加工得到，基片采用的是反磁材料，如熱解
石墨o
權(quán)利要求
1.一種雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，由上定子(1)、轉(zhuǎn)子(3)和下定子(2)構(gòu)成，上定子(1)倒扣在下定子(2)上，上定子(1)和下定子(2)兩個頂面相對，從而形成空腔，轉(zhuǎn)子(3)則懸浮在此空腔內(nèi)，其特征在于所述下定子(2)包括下定子側(cè)向靜電電極(6)、下定子基體(7)、下定子十字分隔結(jié)構(gòu)(8)、下定子永磁塊(9)，下定子側(cè)向靜電電極(6)分布在下定子(2)頂面的最外圍，且沿圓周分布；在下定子基體(7)的底面，下定子十字分隔結(jié)構(gòu)(8)沿下定子基體(7)表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置分布，將下定子基體(7)的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著下定子永磁塊(9)；所述上定子(1)包括上定子基體(12)、上定子十字分隔結(jié)構(gòu)(13)、上定子永磁塊(14)，在上定子結(jié)基體(12)的底面，上定子十字分隔結(jié)構(gòu)(13)沿上定子基體(12)表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置分布，將上定子基體(12)的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著上定子永磁塊(14)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是，所 述下定子還設(shè)有下定子公共電容極板(4)、下定子檢測及反饋控制電容極板組(5)，下定子公共電容極板(4)、下定子檢測及反饋控制電容極板組(5)和下 定子側(cè)向靜電電極(6)由內(nèi)而外依次分布在下定子基體(7)頂面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是，所 述下定子永磁塊(9)，由四塊永磁片且相鄰永磁片同一端面的電磁極性相異構(gòu) 成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是，所 述上定子永磁塊(14)，由四塊永磁片且相鄰永磁片同一端面的電磁極性相異構(gòu) 成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是，所 述上定子(1)和下定子(2)的相對面在豎直方向形成N-S—一對應(yīng)的磁極極性 相反的關(guān)系。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是，所 述上定子(1)還設(shè)有上定子公共電容極板(10)和上定子檢測及反饋控制電容 極板組(11)，上定子公共電容極板(10)和上定子檢測及反饋控制電容極板組 (11)由內(nèi)而外依次分布在上定子基體(12)頂面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是，所 述轉(zhuǎn)子是一個圓盤形結(jié)構(gòu)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是， 所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子上表面Ti層(15)、轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層(16)、轉(zhuǎn)子下表面 Ti層(17),在轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層(16)的上、下表面分別覆蓋著轉(zhuǎn)子上表面 Ti層(15)和轉(zhuǎn)子下表面Ti層(17)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是， 所述轉(zhuǎn)子(3)的圓周邊緣與下定子檢測及反饋控制電容極板組(5)和上定子 檢測及反饋控制電容極板組(11)的外圓弧邊緣在豎直方向上對齊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，其特征是， 所述轉(zhuǎn)子(3)，其外徑與下定子檢測及反饋控制電容極板組(5)以及上定子檢 測及反饋控制電容極板組Ul)的外徑相等。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的雙模式反磁敏感質(zhì)量微加速度計，由上定子、轉(zhuǎn)子和下定子構(gòu)成，所述下定子中，下定子側(cè)向靜電電極分布在下定子基體的頂面的最外圍，且沿圓周分布，下定子十字分隔結(jié)構(gòu)沿下定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置分布，將下定子基體的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著下定子永磁塊；所述上定于中，上定子十字分隔結(jié)構(gòu)沿上定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置分布，將上定子基體的底面空間分隔成四個區(qū)域，在這四個區(qū)域上粘附著上定子永磁塊。本發(fā)明降低了轉(zhuǎn)子的起支過程和起支控制難度，可同時檢測包括沿X、Y、Z軸的線加速度以及繞X、Y軸角加速度等多個自由度的加速度。
文檔編號G01C19/24GK101109764SQ20071004230
公開日2008年1月23日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者武 劉, 張衛(wèi)平, 張忠榕, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)