专利名称：高温超导稳悬永磁转子微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的器件，具体是一种高温超导稳悬永磁转子微陀螺。
背景技术：
悬浮转子微陀螺不需要机械支撑，集成了传统陀螺的精度高和微机械技术尺寸小、成本低的特点，其基本原理是利用高速旋转的刚体具有定轴性实现陀螺功能。无接触悬浮支承是悬浮转子微陀螺工作的重要保证，目前悬浮转子微陀螺主要利用电磁和静电力实现悬浮支撑。
经对现有技术的文献检索发现，日本专利JP1193612，该专利描述了利用超导构成的微陀螺，该陀螺的核心结构特征转子附着两块超导体，两块超导体置于陀螺环两个支承磁体上，进而起到当转子高速转动时，降低支承轴承摩擦，降低功耗，提高陀螺精度。该陀螺总体结构采用传统的双框架结构，仅仅是轴承支承采用了超导结构，这种总体结构的陀螺尺寸大，结构复杂，装配调试也较为困难，很难采用微细加工的技术使其尺寸减小，并实现批量化，成本降低很困难。这极大地限制了它的应用范围，特别是在微卫星、微飞行器等要求陀螺尺寸微小的应用场合。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种高温超导稳悬永磁转子微陀螺，使其实现永磁转子稳定的磁浮，不需要复杂控制机构即可实现自稳定，冷却效果好、功耗小、实现方便，尺寸小。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括液氮杜瓦、陀螺转子、陀螺上定子、陀螺下定子、液氮杜瓦盖、液氮、陀螺支撑柱、陀螺下壳体、陀螺上壳体。其连接方式为液氮杜瓦盖设置在液氮杜瓦之上，液氮设置在液氮杜瓦盖和液氮杜瓦围成的腔内。陀螺下壳体通过陀螺支撑柱设置在液氮杜瓦上。
陀螺下定子、陀螺上定子结构相同，均由高温超导体、氮化硅绝缘材料、定子驱动检测加矩层构成，高温超导体设置在陀螺上壳体之上，氮化硅绝缘材料设置在高温超导体之上，定子驱动检测加矩层设置在氮化硅绝缘材料之上。陀螺下定子、陀螺上定子安装方向相反。
陀螺转子由两层转子驱动检测加矩层、两层圆柱氮化硅绝缘材料、圆柱永磁材料构成，两层圆柱氮化硅绝缘材料分别设置在圆柱永磁材料的两边，两层转子驱动检测加矩层设置在两个圆柱氮化硅绝缘材料外表面之上。
两层定子驱动检测加矩层的最外层设置四个公共检测电极，四对检测信号馈入及加矩稳定电极对。公共检测电极布置在两个检测信号馈入及加矩稳定电极对之间，一个公共检测电极布置在定子驱动检测加矩层的中心，十二个旋转电极布置定子驱动检测加矩层的中间环面处。
两层转子驱动检测加矩层由转子加矩检测环、转子旋转凸极、转子旋转凸极间隙、转子中心圆构成。转子加矩检测环、转子旋转凸极和转子旋转凸极间隙、转子中心圆从外圈到中心依次设置在两层转子驱动检测加矩层上。
本发明陀螺定转子的氮化硅绝缘材料、圆柱氮化硅绝缘材料通过溅射技术得到，转子驱动检测加矩层、定子驱动检测加矩层由电镀工艺得到，这些都有利于陀螺尺寸的缩小。
本发明的悬浮液氮产生低温环境，使高温超导体处于超导状态，便具有抗磁性和磁通钉扎性。与圆柱永磁材料相互作用，它利用抗磁性和钉扎性提供一个悬浮力和一个稳定力.从而实现转子稳定的磁浮。
本发明的旋转定子驱动检测加矩层的转子旋转凸极，转子驱动检测加矩层的转子旋转凸极构成三相静电电机。旋转凸极输入三相仿波即可实现转子的高速旋转。高速旋转的刚体具有定轴性，因而具有陀螺效应。
本发明的检测加矩检测信号馈入及加矩稳定电极对上施加不同频率的交流检测信号，通过公共检测电极输出信号检测出转子的姿态，通过检测信号馈入及加矩稳定电极对实现反馈控制。
本发明陀螺总体结构采用两片安装了高温超导体的陀螺定子和一片含有永磁体陀螺转子结构，避免了传统的双框架结构，陀螺定子和陀螺转子采用多层二维半结构，形式简单，便于微细加工实现，装配调试也较为方便，利用高温超导抗磁性和钉扎性提供一个悬浮力和一个稳定力。从而实现永磁转子稳定的磁浮，不需要复杂控制机构即可实现自稳定。高温超导体直接与液氮接触，冷却效果好，高温超导实现的较为方便。永磁转子的旋转实现采用静电原理，功耗小。整个器件设计中考虑到了MEMS加工技术的可行性，大大缩小了器件的尺寸，液氮使用少，超导从工程角度来讲易于实现。本发明利用超导实现稳悬，实现方便，尺寸小，功耗低能实现批量化，成本降低。极大地扩大了它的应用范围，特别是在微卫星、微飞行器等要求陀螺尺寸微小的应用场合。
图1本发明总体结构示意2本发明陀螺上定子结构示意3本发明陀螺下定子结构示意4本发明陀螺转子结构示意5本发明定子驱动检测加矩层结构示意6本发明转子驱动检测加矩层结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明包括液氮杜瓦1、陀螺转子32、陀螺上定子33、陀螺下定子34、液氮杜瓦盖7、液氮8、陀螺上壳体9、陀螺下壳体16、陀螺支撑柱17。其连接方式为液氮杜瓦盖7设置在液氮杜瓦1之上，液氮8设置在液氮杜瓦盖7和液氮杜瓦1围成的腔内。陀螺下壳体16通过陀螺支撑柱17设置在液氮杜瓦1上。
如图4所示，陀螺转子32由转子驱动检测加矩层2、圆柱氮化硅绝缘材料3、圆柱永磁材料4、圆柱氮化硅绝缘材料5、转子驱动检测加矩层6构成，圆柱氮化硅绝缘材料5、圆柱氮化硅绝缘材料3分别设置在圆柱永磁材料4的两边，转子驱动检测加矩层6设置在圆柱氮化硅绝缘材料5之上，转子驱动检测加矩层2设置在圆柱氮化硅绝缘材料3之上。
如图2所示，陀螺上定子33由高温超导体10、氮化硅绝缘材料11、定子驱动检测加矩层12构成，高温超导体10设置在陀螺上壳体9之上，氮化硅绝缘材料11设置在高温超导体10之上，定子驱动检测加矩层12设置在氮化硅绝缘材料11之上。
如图3所示，定子驱动检测加矩层13、氮化硅绝缘材料14、高温超导体15构成陀螺下定子34，高温超导体15设置在陀螺下壳体16之上，氮化硅绝缘材料14设置在高温超导体15之上，定子驱动检测加矩层13设置在氮化硅绝缘材料14之上。
如图5所示，定子驱动检测加矩层13的最外层设置公共检测电极19、21、23、25，检测信号馈入及加矩稳定电极对18、20、22、24。公共检测电极19布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对18、20之间，公共检测电极21布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对20、22之间，公共检测电极23布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对22、24之间，公共检测电极25布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对24、18之间。
在定子驱动检测加矩层13还设有公共检测电极26、十二个旋转电极27，公共检测电极26布置在定子驱动检测加矩层13的中心，十二个旋转电极27布置定子驱动检测加矩层13的中间环面处。
如图5所示，定子驱动检测加矩层12的最外层设置公共检测电极36、38、40、42，检测信号馈入及加矩稳定电极对35、37、39、41。公共检测电极36布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对35、37之间，公共检测电极38布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对37、39之间，公共检测电极40布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对39、41之间，公共检测电极42布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对41、35之间。
定子驱动检测加矩层12还设有公共检测电极43、十二个旋转电极44，公共检测电极43布置在定子驱动检测加矩层12的中心，十二个旋转电极44布置定子驱动检测加矩层12的中间环面处。
如图6所示，转子驱动检测加矩层6由转子加矩检测环29、转子旋转凸极30、转子旋转凸极间隙28、转子中心圆31构成。转子加矩检测环29、转子旋转凸极30和转子旋转凸极间隙28、转子中心圆31从外圈到中心依次设置在转子驱动检测加矩层6上。
转子驱动检测加矩层2由转子加矩检测环46、转子旋转凸极47、转子旋转凸极间隙45、转子中心圆48构成。转子加矩检测环46、转子旋转凸极47和转子旋转凸极间隙45、转子中心圆48从外圈到中心依次设置在转子驱动检测加矩层2上。
如图2、3、4所示，本发明陀螺上定子33、陀螺下定子34、陀螺转子32的氮化硅绝缘材料14、氮化硅绝缘材料11、圆柱氮化硅绝缘材料5、圆柱氮化硅绝缘材料3通过溅射技术得到，转子驱动检测加矩层6、转子驱动检测加矩层2、定子驱动检测加矩层13、定子驱动检测加矩层12由电镀工艺得到，这些都有利于陀螺尺寸的缩小。
本发明的悬浮液氮8产生低温，使高温超导体15、高温超导体10处于超导状态，高温超导体10放在低于它的临界温度的环境中，便具有抗磁性和磁通钉扎性。与圆柱永磁材料4相互作用，它利用抗磁性和钉扎性提供一个悬浮力和一个稳定力。从而实现转子稳定的磁浮。
本发明的旋转定子驱动检测加矩层13的旋转电极27及定子驱动检测加矩层12的旋转电极44，转子驱动检测加矩层6的转子旋转凸极30及转子驱动检测加矩层2的转子旋转凸极47构成三相静电电机。旋转电极27、旋转电极44输入三相仿波即可实现转子的高速旋转。高速旋转的刚体具有定轴性，因而具有陀螺效应。
本发明的检测加矩定子驱动检测加矩层13的检测信号馈入及加矩稳定电极对18、20、22、24及定子驱动检测加矩层12的检测信号馈入及加矩稳定电极对35、37、39、41上施加不同频率的交流检测信号，通过定子驱动检测加矩层13的公共检测电极19、21、23、25及定子驱动检测加矩层12的公共检测电极36、38、40、42输出信号检测出转子的姿态，通过检测信号馈入及加矩稳定电极对18、20、22、24及检测信号馈入及加矩稳定电极对35、37、39、41实现反馈控制。
权利要求
1.一种高温超导稳悬永磁转子微陀螺，包括液氮杜瓦(1)、陀螺下壳体(16)、陀螺支撑柱(17)、陀螺转子(32)、陀螺上定子(33)、陀螺下定子(34)，其特征在于，液氮杜瓦盖(7)设置在液氮杜瓦(1)之上，液氮(8)设置在液氮杜瓦盖(7)和液氮杜瓦(1)围成的腔内，陀螺下壳体(16)通过陀螺支撑柱(17)设置在液氮杜瓦(1)上，陀螺转子(32)由转子驱动检测加矩层(2)、圆柱氮化硅绝缘材料(3)、圆柱永磁材料(4)、圆柱氮化硅绝缘材料(5)、转子驱动检测加矩层(6)构成，圆柱氮化硅绝缘材料(5)、圆柱氮化硅绝缘材料(3)分别设置在圆柱永磁材料(4)的两边，转子驱动检测加矩层(6)设置在圆柱氮化硅绝缘材料(5)之上，转子驱动检测加矩层(2)设置在圆柱氮化硅绝缘材料(3)之上；陀螺上定子(33)由高温超导体(10)、氮化硅绝缘材料(11)、定子驱动检测加矩层(12)构成，高温超导体(10)设置在陀螺上壳体(9)之上，氮化硅绝缘材料(11)设置在高温超导体(10)之上，定子驱动检测加矩层(12)设置在氮化硅绝缘材料(11)之上；陀螺下定子(34)由定子驱动检测加矩层(13)、氮化硅绝缘材料(14)、高温超导体(15)构成，高温超导体(15)设置在陀螺下壳体(16)之上，氮化硅绝缘材料(14)设置在高温超导体(15)之上，定子驱动检测加矩层(13)设置在氮化硅绝缘材料(14)之上。
2.根据权利要求1所述的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，其特征是，定子驱动检测加矩层(13)的最外层设置公共检测电极(19、21、23、25)、检测信号馈入及加矩稳定电极对(18、20、22、24)，公共检测电极(19)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(18、20)之间，公共检测电极(21)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(20、22)之间，公共检测电极(23)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(22、24)之间，公共检测电极(25)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(24、18)之间。
3.根据权利要求2所述的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，其特征是，定子驱动检测加矩层(13)还设有公共检测电极(26)、十二个旋转电极(27)，公共检测电极(26)布置在定子驱动检测加矩层(13)的中心，十二个旋转电极(27)布置定子驱动检测加矩层(13)的中间环面处。
4.根据权利要求1所述的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，其特征是，定子驱动检测加矩层(12)的最外层设置公共检测电极(36、38、40、42)、检测信号馈入及加矩稳定电极对(35、37、39、41)，公共检测电极(36)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(35、37)之间，公共检测电极(38)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(37、39)之间，公共检测电极(40)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(39、41)之间，公共检测电极(42)布置在检测信号馈入及加矩稳定电极对(41、35)之间。
5.根据权利要求4所述的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，其特征是，定子驱动检测加矩层(12)还设有公共检测电极(43)、十二个旋转电极(44)，公共检测电极(43)布置在定子驱动检测加矩层(12)的中心，十二个旋转电极(44)布置定子驱动检测加矩层(12)的中间环面处。
6.根据权利要求1所述的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，其特征是，转子驱动检测加矩层(6)由转子加矩检测环(29)、转子旋转凸极(30)、转子旋转凸极间隙(28)、转子中心圆(31)构成，转子加矩检测环(29)、转子旋转凸极(30)和转子旋转凸极间隙(28)、转子中心圆(31)从外圈到中心依次设置在转子驱动检测加矩层(6)上。
7.根据权利要求1所述的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，其特征是，转子驱动检测加矩层(2)由转子加矩检测环(46)、转子旋转凸极(47)、转子旋转凸极间隙(45)、转子中心圆(48)构成，转子加矩检测环(46)、转子旋转凸极(47)和转子旋转凸极间隙(45)、转子中心圆(48)从外圈到中心依次设置在转子驱动检测加矩层(2)上。
全文摘要
一种微机电系统领域的高温超导稳悬永磁转子微陀螺，液氮杜瓦盖设置在液氮杜瓦之上，液氮设置在液氮杜瓦盖和液氮杜瓦围成的腔内，陀螺下壳体通过陀螺支撑柱设置在液氮杜瓦上。陀螺下定子、陀螺上定子均由高温超导体、氮化硅绝缘材料、定子驱动检测加矩层构成，高温超导体设置在陀螺上壳体之上，氮化硅绝缘材料设置在高温超导体之上，定子驱动检测加矩层设置在氮化硅绝缘材料之上。陀螺转子由两层转子驱动检测加矩层、两层圆柱氮化硅绝缘材料、圆柱永磁材料构成，两层圆柱氮化硅绝缘材料分别设置在圆柱永磁材料的两边，两层转子驱动检测加矩层设置在两个圆柱氮化硅绝缘材料外表面之上。本发明液氮使用少，实现方便，尺寸小，功耗低。
文档编号G01C19/16GK1712895SQ200510027930
公开日2005年12月28日 申请日期2005年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者张卫平, 陈文元, 段永瑞 申请人:上海交通大学