专利名称：圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微型加速度计，具体是圆形及多环形 轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速度计。
技术背景惯性导航系统是一种自主式导航技术，根据牛顿惯性定律直接计算出载体的 位置、航向和姿态等导航参数。在工作过程中，既不向外界发射能量，也不从外 部获取信息，具有不受干扰、可在任何地方使用、动态性能好、导航输出信息丰 富等独特优点，在航空、航天和航海等领域得到了广泛的应用，MEMS (Micro-electromechanical Systems,微机电系统)技术的出现促使惯性导航系 统向低成本、微型化、低功耗的方向发展。利用MEMS技术设计制作的悬浮转子微 陀螺无机械摩擦，既具有高精度的优势，又具有尺寸小、批量化、成本低的特点， 在现代及将来的军事和民用装备上具有广泛的应用前景，特别能满足微小型平台 的便携式自主导航的需求。从20世纪90年代开始，悬浮转子式惯性器件引起工业界、学术界的广泛关 注，英、美、日等国的一些研究机构已开展大量悬浮转子微惯性器件的研究，并 取得了一定的研究成果。国内也有单位开展这方面追踪探索。经对现有技术的文献检索发现，2002年英国南安普顿大学的R Houlihan和M Kraft在J. Micromech. Microeng.(微机械微工程杂志，2 0 0 2年1 2期第4 9 5 — 5 0 3页，英国期干lj)发表文章Modelling of an accelerometer based on a levitated proof mass (基于悬浮检测质量的加速度计的建模)提出的盘形转子 静电悬浮微加速度计，这种类型的微加速度计由于需要利用静电力来克服重力实 现悬浮，需要转子与定子之间的间隙很小时才能够实现，因而对工艺要求很高， 另外它们都需要闭环反馈控制电路才能够正常工作，转子悬浮需要对多个自由度 进行有效控制，转子的起支及稳定悬浮都需要复杂的电路控制，难度较大。这极 大地限制了它的应用。发明内容本发明针对现有技术的不足，提出一种圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感 质量微加速度计，使其实现反磁敏感质量稳定的悬浮，不需要复杂控制机构即可 实现自稳定，功耗小、实现方便，尺寸小。本发明依靠上、下定子中的圆柱形及 多环形轴向充磁永磁体对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现无控制自稳起 支悬浮，同时又利用上、下定子的轴向检测及反馈电极和下定子侧向检测及反馈 电极与转子之间静电力来提高微加速度计的轴向刚度、侧向刚度和抗冲击能力， 增强稳定悬浮性能。本发明是通过以下技术方案来实现，本发明由上定子、转子和下定子三部分 构成，上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子两个顶面相对，完成装配，从 而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子结构中正对转子的面均 称之为顶面，相应的另一面则称之为底面，同样，下定子结构中正对转子的面亦 均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面。所述下定子包括下定子侧向检测及反馈电极、下定子公共电容极板、下定子 轴向检测及反馈控制电极、下定子基体、下定子圆柱形轴向充磁永磁体、多个下 定子环形轴向充磁永磁体；下定子圆柱形轴向充磁永磁体结构上是圆柱形的，下 定子环形轴向充磁永磁体是环形的，这两种永磁体都是轴向充磁的；在下定子基 体的顶面上由内而外依次分布着下定子公共电容极板、下定子轴向检测及反馈电 极、下定子侧向轴向检测及反馈电极，下定子侧向检测及反馈电极分布在下定子 基体的顶面的最外围，且沿圆周分布；在下定子基体的底面，下定子圆柱形轴向 充磁永磁体位于下定子基体表面几何结构的中线位置，而其它的环形永磁体则以 下定子基体表面几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永 磁体紧密嵌套配合，圆柱形永磁体紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中， 相邻永磁体同一端面的磁极性相异(即N、 S交替布置)，所述的轴向充磁是指圆柱 形及环形永磁体的磁极方向是沿着圆柱形或环形的几何中轴线(也是旋转轴线) 方向。所述上定子包括上定子基体、上定子公共电容极板和上定子轴向检测及反馈 电极、上定子圆柱形轴向充磁永磁体、多个上定子环形轴向充磁永磁体；上定子 圆柱形轴向充磁永磁体结构上是圆柱形的，上定子环形轴向充磁永磁体是环形的， 这两种永磁体都是轴向充磁的；在上定子基体的底面，上定子圆柱形轴向充磁永 磁体位于上定子基体表面几何结构的中线位置，而其它的环形永磁体则以上定子基体表面几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永磁体紧 密嵌套配合，圆柱形永磁体紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，相邻永 磁体同一端面的磁极性相异(即N、 S交替布置)，所述的轴向充磁是指圆柱形及环 形永磁体的磁极方向是沿着圆柱形或环形的几何中轴线(也是旋转轴线)方向。 上定子公共电容极板和上定子轴向检测及反馈电极的连接关系为在上定子基体的 顶面上由内而外依次分布着上定子公共电容极板和上定子轴向检测及反馈电极。所述转子是一个圆盘形结构，包括转子上表面层(材料为Cr/Au或Cr/Cu)、转 子中间反磁结构层，转子下表面层(材料为Cr/Au或Cr/Cu)。在转子中间反磁结构 层的上、下表面分别覆盖着转子上表面层和转子下表面层。本发明中，上定子圆柱形轴向充磁永磁体与下定子圆柱形轴向充磁永磁体、 上定子环形轴向充磁永磁体与下定子环形轴向充磁永磁体从内向外的尺寸要一 致，即上定子圆形永磁体的直径和高度与下定子圆形永磁体的直径和高度相等， 对于上下定子而言，从圆形永磁体开始，从内向外的环形永磁体依次称为第一环 形永磁体、第二环形永磁体，以此类推，则上定子的第一环形永磁体的环内直径、 环外直径和高度应与下定子的第一环形永磁体的环内直径、环外直径和高度相等， 上定子的第二环形永磁体的环内直径、环外直径和高度应与下定子的第二环形永 磁体的环内直径、环外直径和高度相等，依次类推。当上定子倒扣在下定子上时，需使得上定子和下定子相应的永磁体的相对面 在竖直方向形成N-N或者S-S—一对应的磁极极性关系；上定子基体的顶面与下定 子基体的顶面需面对面相对布置，上定子基体的顶面分布有上定子检测及反馈电 极，下定子基体的顶面分布有下定子检测及反馈电极，在下定子基体的顶面最外 圈圆周上分布有下定子侧向静电电极对。本发明的典型技术特征是在转子中间反磁结构层的上、下表面分别覆盖着材 料为Cr/Au或Cr/Cu的转子上表面层和转子下表面层；下定子圆柱形轴向充磁永磁 体、多个下定子环形轴向充磁永磁体是轴向充磁的，以下定子基体表面几何结构 的中线位置为圆心从内向外依次布置下定子圆柱形轴向充磁永磁体、多个下定子 环形轴向充磁永磁体，相邻永磁体充磁方向相异；上定子圆柱形轴向充磁永磁体、 上定子环形轴向充磁永磁体是轴向充磁的，以上定子基体表面几何结构的中线位 置为圆心从内向外依次布置上定子圆柱形轴向充磁永磁体、多个上定子环形轴向充磁永磁体，相邻永磁体充磁方向相异；下定子公共电容极板是圆形的，下定子 轴向检测及反馈电极有多个，围绕下定子公共电容极板呈圆周布置，下定子侧向 检测及反馈电极也呈圆周布置，位于下定子轴向检测及反馈电极之外；上定子公 共电容极板是圆形的，上定子上定子轴向检测及反馈电极有多个，围绕上定子公 共电容极板，呈圆周布置。稳定悬浮是悬浮式加速度计实现的关键技术，本发明解决了现有技术的不足， 采用轴向充磁的圆柱形永磁体和多环形永磁体布置，非常易于加工和充磁，且容 易形成所需要的静态磁场梯度和分布，且理论上能形成圆周方向上无变化静态磁 场，这样在任意水平径向方向上，由于磁场分布是一样的，因此对加速度的敏感 也是一样，方便了水平方向加速度的测量，是一种磁体布置及充磁设计的有益思 路和方案，同时，这样设置有反磁物质的转子在此静态磁场中非常容易实现稳定 支撑悬浮，方便得实现了稳定悬浮支承这一悬浮转子加速度计要正常工作的技术 要件。本发明上下定子的圆柱形及多环形轴向充磁永磁体对反磁转子提供悬浮力和 侧向稳定力，实现无控制自稳起支悬浮，同时又利用上、下定子的轴向检测及反 馈电极和下定子侧向检测及反馈电极与转子之间静电力来提高微加速度计的轴向 刚度、侧向刚度和抗冲击能力，增强稳定悬浮性能。本发明在施加静电电压之前， 转子因反磁作用已悬浮在平衡位置，所以相比一般的静电悬浮微加速度计，降低 了转子的起支过程和起支控制难度。并且本发明可以同时检测包括沿X、 Y、 Z轴的 三轴线加速度以及绕X、 Y轴二轴角加速度。
图1为本发明总体结构示意2为本发明下定子结构顶面示意3为本发明下定子结构底面示意4为本发明上定子结构顶面示意5为本发明上定子结构底面示意6为本发明转子结构示意7为本发明下定子永磁体结构示意8为本发明上定子永磁体结构示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。如图1所示，本实施例采用的是三层结构，由上定子1、转子3和下定子2 三部分构成，上定子1倒扣在下定子2上，使上定子1和下定子2两个顶面相对， 完成装配，从而形成空腔，转子3则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子l结构 中正对转子3的面均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面，同样，下定子2 结构中正对转子3的面亦均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面。如图2、图3、图7所示，所述下定子2包括下定子侧向检测及反馈电极6 (本实 施例中为四组，每组包括两块极板)、下定子公共电容极板4、下定子轴向检测及 反馈控制电极5 (本实施例中为四组，每组包括两块极板)、下定子基体7、下定子 圆柱形轴向充磁永磁体8、多个下定子环形轴向充磁永磁体9;在下定子基体7的顶 面上由内而外依次分布着下定子公共电容极板4、下定子轴向检测及反馈电极5、 下定子侧向检测及反馈电极6，下定子侧向检测及反馈电极6分布在下定子基体的 顶面的最外围，且沿圆周分布，下定子轴向检测及反馈电极5也沿圆周分布；在下 定子基体7的底面，下定子圆柱形轴向充磁永磁体8位于下定子基体7表面几何结构 的中线位置，而其它的下定子环形轴向充磁永磁体9则以下定子基体表面几何结构 的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永磁体紧密嵌套配合，下定 子圆柱形永磁体8紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，下定子2相邻的永 磁体同一端面的磁极性相异(即N、 S交替布置)，所述的轴向充磁是指圆柱形及环 形永磁体的磁极方向是沿着圆柱形或环形的几何中轴线(也是旋转轴线)方向。如图4、图5、图8所示，所述上定子1主要结构包括上定子基体12、上定子公 共电容极板10和上定子轴向检测及反馈电极11 (本实施例中为四组，每组包括两 块极板)、上定子圆柱形轴向充磁永磁体14、上定子环形轴向充磁永磁体13;在上 定子基体12的底面，上定子圆柱形轴向充磁永磁体14位于上定子基体12表面几何 结构的中线位置，而其它的上定子环形轴向充磁永磁体13则以上定子基体12表面 几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，上定子l相邻的两个环形永磁体紧 密嵌套配合，上定子圆柱形轴向充磁永磁体14紧密嵌套在圆环内半径最小的环形 永磁体中，上定子l相邻的永磁体同一端面的磁极性相异(即N、 S交替布置)，所 述的轴向充磁是指圆柱形及环形永磁体的磁极方向是沿着圆柱形或环形的几何中轴线(也是旋转轴线)方向。上定子公共电容极板10和上定子轴向检测及反馈电 极11的连接关系为在上定子基体12的顶面上由内而外依次分布着上定子公共电容 极板10和上定子轴向检测及反馈电极11。所述转子3是一个圆盘形结构，包括转子上表面层15 (材料为Cr/Au或Cr/Cu)、 转子中间反磁结构层16，转子下表面层17 (材料为Cr/Au或Cr/Cu)。在转子中间反 磁结构层16的上、下表面分别覆盖着转子上表面层15和转子下表面层17。转子3 的圆周边缘与下定子轴向检测及反馈电极5和上定子轴向检测及反馈电极11的外 圆弧边缘在竖直方向上对齐。上定子1和下定子2的圆形轴向充磁永磁体的外形尺寸应一致，上定子1和下定 子2从内向外相应的多个环形轴向充磁永磁体外形尺寸要一致，即下定子圆形轴向 充磁永磁体8的直径和高度与上定子圆形轴向充磁永磁体14的直径和高度相等，对 于上定子l而言，从上定子圆形轴向充磁永磁体14开始，从内向外的多个上定子环 形轴向充磁永磁体依次称为上定子第一环形轴向充磁永磁体、上定子第二环形轴 向充磁永磁体，以此类推，对于下定子2而言，从下定子圆形轴向充磁永磁体8开 始，从内向外的多个下定子环形轴向充磁永磁体依次称为下定子第一环形轴向充 磁永磁体、下定子第二环形轴向充磁永磁体，以此类推，则上定子第一环形轴向 充磁永磁体的环内直径、环外直径和高度应与下定子第一环形轴向充磁永磁体的 环内直径、环外直径和高度相等，上定子的第二环形轴向充磁永磁体的环内直径、 环外直径和高度应与下定子的第二环形轴向充磁永磁体的环内直径、环外直径和 高度相等，依次类推。当上定子1倒扣在下定子2上时，上定子基体12的顶面与下定子基体7的顶面需 面对面相对布置，同时需使得上定子1和下定子2的相应的轴向充磁的永磁体相对 面在竖直方向形成N-N或者S-S—一对应的磁极极性关系，即上定子圆柱形轴向充 磁永磁体14和下定子圆柱形轴向充磁永磁体8为轴向充磁且充磁方向相反，上定子 第一环形轴向充磁永磁体与下定子第一环形轴向充磁永磁体为轴向充磁且充磁方 向相反，上定子第二环形轴向充磁永磁体与下定子第二环形轴向充磁永磁体为轴 向充磁且充磁方向相反，以此类推。如图2-8，本实施例工作时，包括以下三个方面(1)当用于检测竖直方向z轴输入的加速度信号时，给上定子轴向检测及反 馈电极11和下定子轴向检测及反馈电极5施加同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过上定子公共电容极板10和下定子公共电容极板4输出差分 电容信号，经电路后处理可以检测出输入的z轴加速度，同时通过给上定子轴向检 测及反馈电极板组11和下定子轴向检测及反馈电极5施加幅值相等、极性相反的直 流反馈电压把转子3拉回到平衡位置；(2) 当用于检测水平方向x轴输入的加速度信号时，给左上一组下定子侧向 检测及反馈电极6的两块电容极板和左下一组下定子检测及反馈电极板6的两块电 容极板，分别施加同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过上 定子公共电容极板10和下定子公共电容极板4输出差分电容信号，经电路后处理可 以检测出输入的x轴加速度，同时左上一组下定子侧向检测及反馈电极6的两块电 容极板和左下一组下定子检测及反馈电极板6的两块电容极板，施加幅值相等、极 性相反的直流反馈电压把转子3拉回到平衡位置；(3) 当用于检测竖直方向y轴输入的加速度信号时，给右上一组下定子侧向 检测及反馈电极6的两块电容极板和右下一组下定子检测及反馈电极板6的两块电 容极板，分别施加同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过上 定子公共电容极板10和下定子公共电容极板4输出差分电容信号，经电路后处理可 以检测出输入的y轴加速度，同时右上一组下定子侧向检测及反馈电极6的两块电 容极板和右下一组下定子检测及反馈电极板6的两块电容极板，施加幅值相等、极 性相反的直流反馈电压把转子3拉回到平衡位置；本发明工作过程如下由于上定子1和下定子2的底面均粘附有永磁片，而转 子3本身是反磁体，转子3与上定子1和下定子2之间就会形成相互作用力即抗磁力 为悬浮反磁转子提供了Z向(轴向)悬浮力，同时也为转子3提供沿X、 Y轴方向的 侧向稳定力，进而转子3实现了在上定子1和下定子2间的自稳定起支悬浮；同时， 通过给下定子轴向检测及反馈电极5和上定子轴向检测及反馈电极11施加电压，下 定子2与转子3、上定子1和转子3之间产生的静电力，增强了转子3的轴向刚度；通 过在定子外围分布的下定子侧向检测及反馈电极6上施加反馈控制电压，下定子侧 向静电电极6与转子3产生静电力，增强了转子3的侧向刚度。在上定子轴向检测及 反馈电极ll、下定子轴向检测及反馈电极5、下定子侧向检测及反馈电极6上施加 载波，当存在轴向和侧向偏离的时候，通过对上定子公共电容极板10和下定子公 共电容极板4上感生出的信号进行拾取、放大、调制解调等处理，并进行判断，在 相应电容极板组或侧向静电电极上施加直流电压，产生的静电力将微转子拉回到平衡位置。这样可以提高处于反磁悬浮状态下转子的轴向和侧向刚度，提高微加 速度计的抗冲击能力，保障转子3在上定子1和下定子2间更稳定悬浮。同时，由于 在施加静电电压之前，转子3由于反磁作用已悬浮在平衡位置，相比一般的静电悬 浮微加速度计，降低了转子3的起支过程和起支控制难度。本发明的工艺采用微细加工技术(MEMS工艺)与精密加工相结合，具体是上 定子1上的上定子公共电容极板10、上定子轴向检测及反馈电极ll，以及下定子2 上的下定子公共电容极板4、下定子轴向检测及反馈电极5、下定子侧向检测及反 馈电极6采用微细加工技术实现；电容极板和侧向静电电极材料一般采用导电性能 较好的是铜，工艺一般采用光刻电镀的微细加工技术；下定子圆柱形永磁块及环 形永磁体和上定子圆柱形永磁体及环形永磁体可采用钴镍锰磷(CoNiMnP)、钕铁 硼(NdFeB)，通过精密加工或者微加工成型，并充磁得到；转子3则是先在基片即 转子中间反磁结构层的两表面溅射Cr/Cu或Cr/Au，然后经微细电火花加工得到， 基片采用的是反磁材料，如热解石墨。
权利要求
1.一种圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速度计，由上定子(1)、下定子(2)和转子(3)构成，上定子(1)倒扣在下定子(2)上，转子(3)则悬浮在上定子(1)和下定子(2)形成的空腔内，其特征在于所述下定子(2)包括下定子侧向检测及反馈电极(6)、下定子公共电容极板(4)、下定子轴向检测及反馈控制电极(5)、下定子基体(7)、下定子圆柱形轴向充磁永磁体(8)、多个下定子环形轴向充磁永磁体(9)，在下定子基体(7)的顶面上由内而外依次分布着下定子公共电容极板(4)、下定子轴向检测及反馈电极(5)、下定子侧向检测及反馈电极(6)；在下定子基体(7)的底面，下定子圆柱形轴向充磁永磁体(8)位于下定子基体(7)表面几何结构的中线位置，而下定子环形轴向充磁永磁体(9)则以下定子基体表面几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永磁体紧密嵌套配合，下定子圆柱形永磁体(8)紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，下定子(2)相邻永磁体同一端面的磁极性相异；所述上定子(1)包括上定子基体(12)、上定子公共电容极板(10)和上定子轴向检测及反馈电极(11)、上定子圆柱形轴向充磁永磁体(14)、上定子环形轴向充磁永磁体(13)，在上定子基体(12)的底面，上定子圆柱形轴向充磁永磁体(14)位于上定子基体(12)表面几何结构的中线位置，而多个上定子环形轴向充磁永磁体(13)则以上定子基体(12)表面几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永磁体紧密嵌套配合，上定子圆柱形轴向充磁永磁体(14)紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，上定子(1)相邻的永磁体同一端面的磁极性相异，在上定子基体(12)的顶面上由内而外依次分布着上定子公共电容极板(10)和上定子轴向检测及反馈电极(11)；所述转子(3)圆周边缘与下定子轴向检测及反馈电极(5)和上定子轴向检测及反馈电极(11)的外圆弧边缘在竖直方向上对齐。
2. 根据权利要求l所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述上定子圆柱形轴向充磁永磁体(14)和下定子圆柱形轴 向充磁永磁体(8)直径和高度相等，上定子(1)和下定子(2)从内向外相应的多个环形轴向充磁永磁体外形尺寸相同。
3. 根据权利要求l所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述上定子(1)和下定子(2)的相应的轴向充磁的永磁体 相对面在竖直方向形成N-N或者S-S—一对应的磁极极性关系。
4. 根据权利要求l所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述上定子基体(12)的顶面与下定子基体(7)的顶面面对 面相对布置。
5. 根据权利要求l所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述下定子侧向检测及反馈电极(6)分布在下定子基体(7) 的顶面的最外围，且沿圆周分布，下定子轴向检测及反馈电极(5)也沿圆周分 布。
6. 根据权利要求l所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述转子(3)是一个圆盘形结构，包括转子上表面层(15)、 转子中间反磁结构层(16)、转子下表面层(17),在转子中间反磁结构层(16) 的上、下表面分别覆盖着转子上表面层(15)和转子下表面层(17)。
7. 根据权利要求6所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述转子上表面层(15)的材料为Cr/Au或Cr/Cu。
8. 根据权利要求6所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述转子中间反磁结构层(16)的材料为反磁材料。
9. 根据权利要求6所述的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速 度计，其特征是，所述转子下表面层(17)材料为Cr/Au或Cr/Cu。
全文摘要
一种微机电系统领域的圆形及多环形轴向充磁永磁反磁敏感质量微加速度计，由上定子、转子和下定子构成，依靠上、下定子中的圆柱形及多环形轴向充磁永磁体对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现无控制自稳起支悬浮，同时又利用上、下定子的轴向检测及反馈电极和下定子侧向检测及反馈电极与转子之间静电力来提高微加速度计的轴向刚度、侧向刚度和抗冲击能力，增强稳定悬浮性能，降低了转子的起支过程和起支控制难度，不需要复杂控制机构即可实现自稳定，功耗小、实现方便，尺寸小，可以同时检测包括沿X、Y、Z轴的三轴线加速度以及绕X、Y轴二轴角加速度。
文档编号G01P15/14GK101216499SQ200810032470
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月10日 优先权日2008年1月10日
发明者武 刘, 张卫平, 张忠榕, 陈文元 申请人:上海交通大学