专利名称：圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微型陀螺仪，具体是一种圆形及多环 形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺。
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，悬浮转子式微陀螺引起工业界、学术界的广泛关 注，英、美、日等国的一些研究机构己开展大量悬浮转子微陀螺的研究，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。经文献检索发现，在中国专利200410018474. 5 "静电悬浮转子微惯性传感器 及其制造方法"中，提出了一种静电悬浮转子微惯性传感器，该微惯性传感器包 括下衬底层，中间金属结构层和上衬底层，中间金属结构层由金属转子和周边径 向电极，下、上衬底层分别和径向电极相键合形成转子腔，轮状的金属转子处于 转子腔的中心，与下、上衬底上的轴向电极和周边径向电极之间分别形成轴向电 极间隙和径向电极间隙。该技术存在如下不足，转子的悬浮支承需要控制5个自 由度，大大增加了对转子悬浮起支的要求，由于采用可变电容使转子高速旋转，定 转子上必须有分离的电极或相当于电极的陆域，结构复杂。同时为了保证转子的恒高速转动，必须实时检测定转子的相对位置并决定子电极的电压施加顺序，必 须有专门的转子恒高速检测控制回路。 发明内容本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种圆形及多环形轴向 径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺，依靠上、下定子中的圆柱形及多环形轴 向径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，使其实现反磁敏感质量稳定的悬浮，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陀螺的轴向刚 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，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。本发明利用电荷 驰豫使转子恒高速转动，转子上不需要设置电极，因而可做成圆平盘，结构和控 制简单，也方便了加工；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。本发明也具有功耗小、实现方便，尺寸小的特点。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、下定子圆柱形永磁体、多个下定子环形 永磁体、下定子旋转驱动电极；下定子圆柱形磁体外形是圆柱形的且轴向充磁， 多个下定子环形永磁体外形是环形的；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、下定子旋转驱动电极、下定子轴向检测及反馈电极、下 定子侧向检测及反馈电极，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，圆柱形永磁体是沿轴 向充磁的，相邻两个永磁体依次为轴向充磁和径向充磁，相隔两个永磁体(即两 个永磁体之间只隔了一个永磁体)的充磁的方向相反，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，所述的径向充磁是指沿着环形永磁体的半径方向充磁的。所述的下定子旋转驱动电极包括多个下定子A相旋转驱动电极、下定子B相旋 转驱动电极、下定子C相旋转驱动电极，下定子A相旋转驱动电极、下定子B相旋转 驱动电极、下定子C相旋转驱动电极紧靠在一起，形成一个空间分布周期。在下定 子表面圆周上可以由多个这样的A、 B、 C相旋转驱动电极的周期性分布。所述上定子主要结构包括上定子基体、上定子公共电容极板和上定子轴向检 测及反馈电极、上定子圆柱形永磁体、多个上定子环形永磁体、上定子旋转驱动 电极；上定子圆柱形磁体外形是圆柱形的且轴向充磁，多个上定子环形永磁体外 形是环形的；在上定子基体的底面，上定子圆柱形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，圆柱形永磁体是沿轴向充磁的，相 邻两个永磁体依次为轴向充磁和径向充磁，相隔两个永磁体(即两个永磁体之间 只隔了一个永磁体)的充磁的方向相反，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，所述的 径向充磁是指沿着环形永磁体的半径方向充磁的。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。所述的上定子旋转驱动电极包括多个上定子A相旋转驱动电极、上定子B相旋 转驱动电极、上定子C相旋转驱动电极，上定子A相旋转驱动电极、上定子B相旋转 驱动电极、上定子C相旋转驱动电极紧靠在一起，形成一个空间分布周期。在上定 子表面圆周上可以由多个这样的A、 B、 C相旋转驱动电极的周期性分布。所述转子是一个五层圆盘形结构，中间层是支撑层，即反磁结构层，其上下 两表面为绝缘层，采用Si02绝缘材料，绝缘层外是电荷驰豫层，采用具有电荷驰豫作用的材料。支撑层位于中间，电荷驰豫层通过绝缘层与支撑层相连。通过在多个下定子A相旋转驱动电极、下定子B相旋转驱动电极、下定子C相旋 转驱动电极及多个上定子A相旋转驱动电极、上定子B相旋转驱动电极、上定子C相 旋转驱动电极施加电压，在上下定子表面能够形成旋转电压行波，在转子的电荷 驰豫层感应出滞后的电压行波，从而带动转子高速旋转；上定子圆柱形永磁体与下定子圆柱形永磁体、上定子环形永磁体与下定子环 形永磁体从内向外的尺寸要相同，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。当上定子倒扣在下定子上时，下定子公共电容极板与上定子公共电容极板、 下定子旋转驱动电极与上定子旋转驱动电极、下定子轴向检测及反馈电极与上定 子轴向检测及反馈电极在空间位置上应上下对应，避免错位，即沿着器件的轴线 方向投影，下定子公共电容极板与上定子公共电容极板、下定子旋转驱动电极与 上定子旋转驱动电极、下定子轴向检测及反馈电极与上定子轴向检测及反馈电极 在垂直于轴线的平面内的投影是重合的。本发明的典型技术特征是是转子是包括转子上绝缘层、转子中间反磁结构层、 转子下绝缘层、转子上电荷驰豫层和转子下电荷驰豫层的五层圆平盘结构；下定 子圆柱形永磁体为轴向充磁，下定子环形永磁体为多个，分别为轴向充磁或径向 充磁，最靠近下定子圆柱形永磁体的下定子环形永磁体为径向充磁，从内向外，相邻的下定子环形永磁体充磁方向分别为轴向充磁或径向充磁，但不能同为径向 充磁或同为轴向充磁；上定子圆柱形永磁体为轴向充磁，上定子环形永磁体为多 个，分别为轴向充磁或径向充磁，最靠近上定子圆柱形永磁体的上定子环形永磁 体为径向充磁，从内向外，相邻的上定子环形永磁体充磁方向分别为轴向充磁或 径向充磁，但不能同为径向充磁或同为轴向充磁；下定子旋转驱动电极有多个， 呈园周布置，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， 呈园周布置，下定子旋转驱动电极位于下定子公共电容极板和下定子轴向检测及 反馈电极之间，下定子侧向检测及反馈电极也呈园周布置，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，上定子旋转驱动电极有多个， 呈园周布置，上定子轴向检测及反馈电极有多个，呈园周布置，上定子旋转驱动 电极位于上定子公共电容极板、上定子轴向检测及反馈电极之间。本发明转子旋转在定子旋转驱动电极上施加时序电压脉冲，在定子表面形 成旋转电压行波，由于电荷驰豫作用，在转子上感应出滞后的电压行波，进而带 动转子恒高速转动。属于异步电动机工作原理，不需要位置检测和反馈回路。本发明位置检测径向位置检测是通过提取侧向检测及反馈电极和转子之间 的电容值来实现的。轴向位置检测是通过提取上下定子轴向检测及反馈电极与转 子之间的电容值来实现的。本发明的力矩施加通过上下定子的轴向检测及反馈电极、下定子侧向检测 及反馈电极的电压施加来实现的。本发明解决了现有技术的不足，釆用轴向和径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，上下定子中的环形永磁体既可以径向充磁 也可以轴向充磁，它们与轴向充磁的圆柱形永磁体一起，也可形成反磁物质稳定 悬浮所需的静态磁场梯度和分布，提供了反磁物质悬浮的新思路和新方法，且理 论上能形成园周方向上无变化静态磁场，可有效避免转子旋转时电磁阻尼，是一 种磁体布置及充磁设计的有益思路和方案，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微 陀螺要正常工作的一大技术要件。转子设计有电荷驰豫材料，与定子驱动电极一 起可构成异步感应电机，不需要控制即可实现稳定高速的旋转，并且本发明的磁体布置和充磁安排可有效避免电磁阻尼， 一方面方便得实现了转子稳定旋转这一 悬浮转子微陀螺要正常工作的另一大技术要件，另一方面可大大提高转速。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陀螺的轴向刚 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，降低了转子的起 支过程和起支控制难度。本发明结构简单，利用电荷驰豫，通过定子表面旋转电 压行波，在转子上感应出滞后的电压行波，进而带动转子恒高速转动，不需要转 速检测既可以实现转子恒高速转动。它可以同时检测包括沿X、 Y、 Z轴的线加速 度以及绕X、 Y轴角加速度，进而可以用来对物体进行精确定位，用于检测载体的 姿态或导航。
图1为本发明总体结构示意2为本发明下定子正面结构示意3为本发明下定子背面结构示意4为本发明上定子正面结构示意5为本发明上定子背面结构示意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 圆柱形永磁体8、多个下定子环形充磁永磁体9、下定子旋转驱动电极18;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、下定子旋转驱动电 极18、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，下定子旋转 驱动电极18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，下定子2相邻的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，下定子圆柱形永磁体8是沿轴向 充磁的，下定子2相邻(紧靠)的两个永磁体依次为轴向充磁和径向充磁，下定子 2相隔的两个永磁体(即两个永磁体之间只隔了一个永磁体)的充磁的方向相反， 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，所述的径向充磁是指沿着环形永磁体的半径方向 充磁的。所述的下定子旋转驱动电极18包括多个下定子A相旋转驱动电极、下定子B相 旋转驱动电极、下定子C相旋转驱动电极，下定子A相旋转驱动电极、下定子B相旋 转驱动电极、下定子C相旋转驱动电极紧靠在一起，形成一个空间分布周期。在下 定子表面圆周上可以由多个这样的A、 B、 C相旋转驱动电极的周期性分布。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IO、上定子旋转驱动电极19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)、上定子圆柱形永磁体14、上定子环形永磁体13; 在上定子基体12的底面，上定子圆柱形永磁体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，上定子圆柱 形永磁体14是沿轴向充磁的，上定子l相邻的两个永磁体依次为轴向充磁和径向充 磁，上定子l相隔(紧靠)的两个永磁体(即两个永磁体之间只隔了一个永磁体) 的充磁的方向相反，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，所述的径向充磁是指沿着环形永磁体的半径方向充磁的。上定子公共电容极板io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。所述的上定子旋转驱动电极19包括多个上定子A相旋转驱动电极、上定子B相 旋转驱动电极、上定子C相旋转驱动电极，上定子A相旋转驱动电极、上定子B相旋 转驱动电极、上定子C相旋转驱动电极紧靠在一起，形成一个空间分布周期。在上 定子表面圆周上可以由多个这样的A、 B、 C相旋转驱动电极的周期性分布。所述转子3是五层圆平盘结构，转子中间反磁结构层16设置在转子3的中间， 在转子中间反磁结构层16上表面设置转子上绝缘层15，在转子中间反磁结构层16 下表面设置转子下绝缘层n,在转子3的最外表面设置转子上电荷驰豫层20和转子 下电荷驰豫层21，转子上电荷驰豫层20通过转子上绝缘层15与转子中间反磁结构 层16相连，转子下电荷驰豫层21通过转子下绝缘层17与转子中间反磁结构层16相 连。转子上电荷驰豫层20、转子下电荷驰豫层21采用具有电荷驰豫作用的材料， 如注硼掺杂多晶硅材料；转子上绝缘层15、转子下绝缘层17采用Si02绝缘材料；转 子中间反磁结构层16可采用反磁材料，如热解石墨。上定子1的上定子圆形永磁体14和下定子2的下定子圆形永磁体8的外形尺寸 相同，上定子1和下定子2从内向外相应的环形永磁体的外形尺寸要相同，即下定 子圆形永磁体8的直径和高度与上定子圆形永磁体14的直径和高度相等，对于上定 子1而言，从上定子圆形永磁体14开始，从内向外的环形永磁体依次称为上定子第 一环形永磁体、上定子第二环形永磁体，以此类推，对于下定子2而言，从下定子 圆形永磁体14开始，从内向外的环形永磁体依次称为下定子第一环形永磁体、下 定子第二环形永磁体，以此类推，则上定子第一环形永磁体的直径和高度应与下定子第一环形永磁体的环内直径、环外直径和高度相等，上定子第二环形永磁体 的环内直径、环外直径和高度应与下定子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，而上定子1和下定子2相应 的径向充磁的永磁体的径向充磁的方向要相同，即上定子圆柱形永磁体14和下定 子圆柱形永磁体8为轴向充磁且磁极极性相反，上定子第一环形永磁体与下定子第 一环形永磁体为径向充磁且充磁方向相同，上定子第二环形永磁体与下定子第二 环形永磁体为轴向充磁且磁极极性相反，上定子第三环形永磁体与下定子第三环 形永磁体为径向充磁且充磁方向相同，以此类推。当上定子1倒扣在下定子2上时，下定子公共电容极板4与上定子公共电容极板 10、下定子旋转驱动电极18与上定子旋转驱动电极19、下定子轴向检测及反馈电 极5与上定子轴向检测及反馈电极11在空间位置上应上下对应，避免错位，即沿着 器件的轴线方向投影，下定子公共电容极板4与上定子公共电容极板10、下定子旋 转驱动电极18与上定子旋转驱动电极19、下定子轴向检测及反馈电极5与上定子轴 向检测及反馈电极ll在垂直于轴线的平面内的投影是重合的。具体实施时，上定子旋转驱动电极的A相旋转电极、B相旋转电极、C相旋转 电极的个数是可以根据需要来调整的，下定子旋转驱动电极18的A相旋转电极、 B相旋转电极、C相旋转电极的个数是可以根据需要来调整的，上定子轴向检测及 反馈电极11、下定子轴向检测及反馈控制电极5、下定子侧向检测及反馈电极6 的个数也是可以调整的。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；(4) 当检测绕X、 Y轴的输入角速度时，因检测绕X轴和绕Y轴的输入角速度原 理是相同的，此处只描述检测绕X轴输入角速度的工作过程，当有绕X轴输入角速 度时，相应的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与转子 3之间的间隙发生变化，从而上下定子公共电极输出载波调制信号，对这个信号进 行调制解调，并输出反馈电压到相应的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ll，将转子拉回到平衡位置，根据反馈力矩的大小就可以测角速 度，这就是力矩再平衡测角速度的方法。本发明工作过程如下由于上定子1和下定子2的底面均设置有永磁体，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，提高微陀 螺的抗冲击能力，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 陀螺，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11、上定子旋转 驱动电极19，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、下定子旋转驱动电极18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，转子电荷驰豫层21采用具有电荷驰豫作用的材料，如注硼掺杂 多晶硅材料。
权利要求
1.一种圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺，由上定子(1)、转子(3)和下定子(2)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)、下定子圆柱形永磁体(8)、多个下定子环形永磁体(9)、下定子旋转驱动电极(18)，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)、下定子旋转驱动电极(18)、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，下定子圆柱形永磁体(8)位于下定子基体(7)表面几何结构的中线位置，而多个下定子环形永磁体(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，下定子(2)相邻的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，下定子圆柱形永磁体(8)是沿轴向充磁的，下定子(2)相邻的两个永磁体依次为轴向充磁和径向充磁，下定子(2)相隔的两个永磁体的充磁的方向相异；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)、上定子圆柱形永磁体(14)、上定子环形永磁体(13)、上定子旋转驱动电极(19)，在上定子基体(12)的底面，上定子圆柱形永磁体(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(1)相邻的两个环形永磁体紧密嵌套配合，上定子圆柱形永磁体(14)紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，上定子圆柱形永磁体(14)是沿轴向充磁的，上定子(1)相邻两个永磁体依次为轴向充磁和径向充磁，上定子(1)相隔的两个永磁体的磁极性的方向相异，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)是五层圆平盘结构，包括转子上绝缘层(15)、转子中间反磁结构层(16)、转子下绝缘层(17)、转子上电荷驰豫层(20)和转子下电荷驰豫层(21)，转子中间反磁结构层(16)设置在转子(3)的中间，在转子中间反磁结构层(16)上表面设置转子上绝缘层(15)，在转子中间反磁结构层(16)下表面设置转子下绝缘层(17)，在转子(3)的最外表面设置转子上电荷驰豫层(20)和转子下电荷驰豫层(21)，转子上电荷驰豫层(20)通过转子上绝缘层(15)与转子中间反磁结构层(16)相连，转子下电荷驰豫层(21)通过转子下绝缘层(17)与转子中间反磁结构层(16)相连。
2. 根据权利要求l所述的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋 转微陀螺，其特征是，所述上定子(1)的上定子圆形永磁体G4)和下定子(2) 的下定子圆形永磁体(8)的外形尺寸相同，上定子(1)和下定子(2)从内向 外相应的环形永磁体的外形尺寸相同。
3. 根据权利要求1或2所述的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫 旋转微陀螺，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，同时上定子(1)和下定子(2)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，而上定子(1)和下 定子(2)相应的径向充磁的永磁体的径向充磁的方向相同。
4. 根据权利要求1所述的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转 微陀螺，其特征是，所述下定子侧向检测及反馈电极(6)分布在下定子基体的 顶面最外围，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。
5. 根据权利要求1所述的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋 转微陀螺，其特征是，所述转子上电荷驰豫层(20)、转子下电荷驰豫层(21) 材料为具有电荷驰豫作用的材料。
6. 根据权利要求1所述的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋 转微陀螺，其特征是，所述转子上绝缘层(15)、转子下绝缘层(17)材料为Si02 绝缘材料。
7. 根据权利要求1所述的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋 转微陀螺，其特征是，所述转子中间反磁结构层(16)材料为反磁材料。
全文摘要
一种微机电系统领域的圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺，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径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，利用电荷驰豫，不需要转速检测既可以实现转子恒高速转动。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陀螺的轴向刚度、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G01C19/24GK101216310SQ20081003247
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