專利名稱：電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術領域的陀螺，具體是一種電磁懸浮靜電驅(qū)動微轉(zhuǎn)動陀螺。
背景技術：
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微振動陀螺，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。上世紀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)有技術的文獻檢索發(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)子進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。雖然懸浮的微轉(zhuǎn)子沒有任何機械約束，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的研究進展”(“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)速遠遠達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，解決了背景技術的不足。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(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)形結構，在微轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)均勻分布有齒形電極。基體上的旋轉(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，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的微振動陀螺。這些微陀螺不足之處是測量精度不高，遠遠趕不上傳統(tǒng)大尺度陀螺，從而限制了這些陀螺的推廣應用。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微陀螺的應用領域推廣到航空、航天、航海以及其他的要求高精度的慣性導航系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明總體結構示意圖；圖2是本發(fā)明微陀螺的基體及其上面分布結構的三維視圖；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)，類似靜電步進電機的旋轉(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都是平面結構，材料一般采用導電性能較好的銅，采用光刻電鍍微細加工方法制造。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LiGA或LiGA技術制造。微轉(zhuǎn)子2的材料是導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上導體間的絕緣，線圈或電極上有一層絕緣材料起絕緣作用。
權利要求
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制作在底層，從線圈底部引出。
3.根據(jù)權利要求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，屬于微機電系統(tǒng)技術領域。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)動結構，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，進而提高微陀螺的測量精度，推廣微陀螺的應用領域。
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