圓形及多環形軸向徑向充磁永磁反磁轉子靜電旋轉微陀螺制造技術

一種微機電系統領域的圓形及多環形軸向徑向充磁永磁反磁轉子靜電旋轉微陀螺，由上定子、轉子和下定子構成，依靠上、下定子中的圓柱形及多環形軸向徑向充磁永磁體對反磁轉子提供懸浮力和側向穩定力，實現無控制自穩起支懸浮，利用上下定子的旋轉電極與轉子形成變電容電機，拉動轉子高速旋轉，同時又利用上、下定子的軸向檢測及反饋電極和下定子側向檢測及反饋電極與轉子之間靜電力來提高微陀螺的軸向剛度、側向剛度和抗沖擊能力，增強穩定懸浮性能，降低了轉子的起支過程和起支控制難度，不需要復雜控制機構即可實現自穩定，功耗小、實現方便，尺寸小，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。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及的是一種微機電
的微型陀螺儀，具體是一種圓形及多環 形軸向徑向充磁永磁反磁轉子靜電旋轉微陀螺。技術背景慣性導航系統是一種自主式導航技術，根據牛頓慣性定律直接計算出載體的 位置、航向和姿態等導航參數。在工作過程中，既不向外界發射能量，也不從外 部獲取信息，具有不受干擾、可在任何地方使用、動態性能好、導航輸出信息豐 富等獨特優點，在航空、航天和航海等領域得到了廣泛的應用，MEMS (Micro-electromechanical Systems,微機電系統)技術的出現促使慣性導航系 統向低成本、微型化、低功耗的方向發展。利用MEMS技術設計制作的懸浮轉子微 陀螺無機械摩擦，既具有高精度的優勢，又具有尺寸小、批量化、成本低的特點， 在現代及將來的軍事和民用裝備上具有廣泛的應用前景，特別能滿足微小型平臺 的便攜式自主導航的需求。經對現有技術的文獻檢索發現，Takao MURAKOSHI等人在《Jpn. J. Appl. Phys.》 (Vol.42. 2003 ， 2468-2472頁)上發表"Electrostatically Levitated Ring-Shaped Rotational-Gyro/Accele，eter，，，該文中提出一種盤形轉子靜電 懸浮微陀螺/微加速度計。其不足之處在于在轉子的徑向內外側，設置有用于控 制轉子徑向(X、 Y方向)位置的徑向控制電極，在上、下層的玻璃襯底上，設置有 用于實現轉子Z軸向位置懸浮控制的軸向控制電極，這樣，轉子的懸浮支承需要 控制5個自由度，大大增加了對轉子懸浮起支的要求，工藝也比較復雜。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有技術中的上述不足，提供了一種圓形及多環形軸向 徑向充磁永磁反磁轉子靜電旋轉微陀螺，依靠上、下定子中的圓柱形及多環形軸 向徑向充磁永磁體對反磁轉子提供懸浮力和側向穩定力，實現無控制自穩起支懸浮，使其實現反磁敏感質量穩定的懸浮，同時又利用上、下定子的軸向檢測及反 饋電極和下定子側向檢測及反饋電極與轉子之間靜電力來提高微陀螺的軸向剛 度、側向剛度和抗沖擊能力，增強穩定懸浮性能。本專利技術在施加靜電電壓之前， 轉子因反磁作用已懸浮在平衡位置，所以相比一般的靜電懸浮，降低了轉子的起 支過程和起支控制難度，不需要復雜控制機構即可實現自穩定。并且本專利技術可以 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。本專利技術也 具有功耗小、實現方便，尺寸小的特點。本專利技術是通過以下技術方案來實現，本專利技術由上定子、轉子和下定子三部分 構成，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，轉子則懸浮在此空腔內。在裝配時，上定子結構中正對轉子的面均 稱之為頂面，相應的另一面則稱之為底面，同樣，下定子結構中正對轉子的面亦 均稱之為頂面，相應的另一面則稱之為底面。所述下定子包括下定子側向檢測及反饋電極、下定子公共電容極板、下定子 軸向檢測及反饋控制電極、下定子基體、下定子圓柱形永磁體、多個下定子環形 永磁體、下定子旋轉驅動電極；下定子圓柱形磁體外形是圓柱形的且軸向充磁， 多個下定子環形永磁體外形是環形的；在下定子基體的頂面上由內而外依次分布 著下定子公共電容極板、、下定子旋轉驅動電極、下定子軸向檢測及反饋電極、下 定子側向檢測及反饋電極，下定子側向檢測及反饋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，下定子圓柱形永磁體位于下定 子基體表面幾何結構的中線位置，而其它的環形永磁體則以下定子基體表面幾何 結構的中線位置為圓心從內向外依次布置，相鄰兩個環形永磁體緊密嵌套配合， 圓柱形永磁體緊密嵌套在圓環內半徑最小的環形永磁體中，圓柱形永磁體是沿軸 向充磁的，相鄰兩個永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，相隔兩個永磁體(即兩 個永磁體之間只隔了一個永磁體)的充磁的方向相反，所述的軸向充磁是指圓柱 形及環形永磁體的磁極方向是沿著圓柱形或環形的幾何中軸線(也是旋轉軸線) 方向，所述的徑向充磁是指沿著環形永磁體的半徑方向充磁的。所述上定子主要結構包括上定子基體、上定子公共電容極板和上定子軸向檢 測及反饋電極、上定子圓柱形永磁體、多個上定子環形永磁體、上定子旋轉驅動電極；上定子圓柱形磁體外形是圓柱形的且軸向充磁，多個上定子環形永磁體外 形是環形的；在上定子基體的底面，上定子圓柱形永磁體位于上定子基體表面幾 何結構的中線位置，而其它的環形永磁體則以上定子基體表面幾何結構的中線位 置為圓心從內向外依次布置，相鄰兩個環形永磁體緊密嵌套配合，圓柱形永磁體 緊密嵌套在圓環內半徑最小的環形永磁體中，圓柱形永磁體是沿軸向充磁的，相 鄰兩個永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，相隔兩個永磁體(即兩個永磁體之間 只隔了一個永磁體)的充磁的方向相反，所述的軸向充磁是指圓柱形及環形永磁 體的磁極方向是沿著圓柱形或環形的幾何中軸線(也是旋轉軸線)方向，所述的 徑向充磁是指沿著環形永磁體的半徑方向充磁的。上定子公共電容極板和上定子 軸向檢測及反饋電極的連接關系為在上定子基體的頂面上由內而外依次分布著上 定子公共電容極板和上定子軸向檢測及反饋電極。所述轉子是一個圓盤形結構，包括轉子上表面層(材料為Cr/Au或Cr/Cu)、轉 子中間反磁結構層，轉子下表面層(材料為Cr/Au或Cr/Cu)。在轉子中間反磁結構 層的上、下表面分別覆蓋著轉子上表面層和轉子下表面層。轉子扇形孔洞以一定 圓周均勻分布，鑲嵌在轉子中。本專利技術中，上定子圓柱形永磁體與下定子圓柱形永磁體、上定子環形永磁體 與下定子環形永磁體從內向外的尺寸要相同，即上定子圓形永磁體的直徑和高度 與下定子圓形永磁體的直徑和高度相等，對于上下定子而言，從圓形永磁體開始， 從內向外的環形永磁體依次稱為第一環形永磁體、第二環形永磁體，以此類推， 則上定子的第一環形永磁體的環內直徑、環外直徑和高度應與下定子的第一環形 永磁體的環內直徑、環外直徑和高度相等，上定子的第二環形永磁體的環內直徑、 環外直徑和高度應與下定子的第二環形永磁體的環內直徑、環外直徑和高度相等， 依次類推。當上定子倒扣在下定子上時，上定子基體的頂面與下定子基體的頂面需面對 面相對布置，同時需使得上定子和下定子相應的軸向充磁的永磁體相對面在豎直 方向形成N-N或者S-S—一對應的磁極極性關系，而上定子和下定子相應的徑向充 磁的永磁體的徑向充磁的磁極極性方向要相同；上定子基體的頂面分布有上定子 檢測及反饋控制電容極，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向靜電電極對。當上定子倒扣在下定子上時，下定子公共電容極板與上定子公共電容極板、 下定子旋轉驅動電極與上定子旋轉驅動電極、下定子軸向檢測及反饋電極與上定 子軸向檢測及反饋電極在空間位置上應上下對應，避免錯位，即沿著器件的軸線 方向投影，下定子公共電容極板與上定子公共電容極板、下定子旋轉驅動電極與 上定子旋轉驅動電極、下定子軸向檢測及反饋電極與上定子軸向檢測及反饋電極 在垂直于軸線的平面內的投影是重合的。本專利技術的典型技術特征是在轉子中間反磁結構層的上、下表面分別覆蓋著材 料為Cr/Au或Cr/Cu轉子上表面層和轉子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種圓形及多環形軸向徑向充磁永磁反磁轉子靜電旋轉微陀螺，由上定子（１）、轉子（３）和下定子（２）構成，上定子（１）倒扣在下定子（２）上，轉子（３）則懸浮在上定子（１）和下定子（２）形成的空腔內，其特征在于：所述下定子（２）包括下定子 側向檢測及反饋電極（６）、下定子公共電容極板（４）、下定子軸向檢測及反饋控制電極（５）、下定子基體（７）、下定子圓柱形永磁體（８）、多個下定子環形永磁體（９）、下定子旋轉驅動電極（１８），在下定子基體（７）的頂面上由內而外依次分布著下定子公共電容極板（４）、下定子旋轉驅動電極（１８）、下定子軸向檢測及反饋電極（５）、下定子側向檢測及反饋電極（６）；在下定子基體（７）的底面，下定子圓柱形永磁體（８）位于下定子基體（７）表面幾何結構的中線位置，而多個下定子環形永磁體（９）則以下定子基體表面幾何結構的中線位置為圓心從內向外依次布置，相鄰兩個環形永磁體緊密嵌套配合，下定子圓柱形永磁體（８）緊密嵌套在圓環內半徑最小的環形永磁體中，下定子圓柱形永磁體（８）是沿軸向充磁的，下定子（２）相鄰的兩個永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，下定子（２）相隔的兩個永磁體的充磁的方向相異；所述上定子（１）包括上定子基體（１２）、上定子公共電容極板（１０）和上定子軸向檢測及反饋電極（１１）、上定子圓柱形永磁體（１４）、上定子環形永磁體（１３）、上定子旋轉驅動電極（１９）， 在上定子基體（１２）的底面，上定子圓柱形永磁體（１４）位于上定子基體（１２）表面幾何結構的中線位置，而多個上定子環形永磁體（１３）則以上定子基體（１２）表面幾何結構的中線位置為圓心從內向外依次布置，相鄰兩個環形永磁體緊密嵌套配合，上定子圓柱形永磁體（１４）緊密嵌套在圓環內半徑最小的環形永磁體中，上定子圓柱形永磁體（１４）是沿軸向充磁的，上定子（１）相鄰的兩個永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，上定子（１）相隔的兩個永磁體的磁極性的方向相異，在上定子基體（１２）的頂面上由內而外依次分布著上定子公共電容極板（１０）和上定子軸向檢測及反饋電極（１１）；所述轉子（３）的圓周邊緣與下定子軸向檢測及反饋電極（５）和上定子軸向檢測及反饋電極（１１）的外圓弧邊緣在豎直方向上對齊。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張衛平，陳文元，劉武，張忠榕，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]