专利名称：磁场可控介磁稳定悬浮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技术领域的器件，特别是一种磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺。
背景技术：
微机械陀螺是MEMS(微机电系统)技术和陀螺技术相结合的产物，有振动式和悬浮转子式两大类。振动式微陀螺利用哥氏效应工作，尺寸在几个毫米以内，振动式微陀螺的检测质量与衬底通过机械结构相连，其本身的局限性及微加工中的一些困难，漂移精度处于中低精度水平。悬浮转子微陀螺利用电磁力或静电力使检测微转子与衬底分开，其漂移精度能够可达到惯性级水平。
经对现有技术的文献检索发现，美国华盛顿大学Joe Nhut Ho等在ProgressIn Electromagnetics Research Symposium 2005(电磁悬浮研究会议)上发表篇名为“Diamagnetic Levitating Rotor”(介磁悬浮转子)的文章，该文章提供了一种利用介磁实现转子悬浮旋转的设计，转子为等边三角形，其上下表面三个角分别布置三块永磁体(共六块永磁体)，在转子上下表面一定距离处布置两片介磁材料，转子上表面的介磁材料外一定距离处布置一悬浮永磁体(Suspending magnet)。转子周围上下方一定距离处对称的布置两组旋转驱动线圈，每组旋转驱动线圈包括9个线圈，每个驱动线圈的轴线在空间上与转子的上下表面呈一定的角度。该设计的悬浮是依靠悬浮永磁体和转子上的六块永磁体的相吸作用产生的力抵消掉重力的作用而实现，该设计的稳定性(指转子在一定扰动下，能够回复到平衡位置的能力)依靠介磁材料与转子上的六块永磁体的排斥力来实现。旋转线圈中通一定相位差的交流电，就可产生旋转电磁场，驱动转子上的三块永磁体旋转。
美国华盛顿大学Joe Nhut Ho等的悬浮转子设计方案虽然可以实现转子的悬浮和旋转，但是要成为陀螺，特别是使用微加工技术的微陀螺，有几个不足和缺憾1)该设计方案没有传感器，本质上不能构成陀螺传感器。2)悬浮和旋转都采用电磁场作用，因此悬浮和旋转互相干扰，悬浮和旋转稳定性变差，要成为陀螺具有原理性缺陷。3)转子采用等边三角形结构，三角形三个顶点处布置永磁体，此种结构，对实现陀螺驱动、检测、加矩功能非常不利。4)该设计包括空间上复杂布置的驱动线圈，不便于微加工实现，批量化和降低成本受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，使其利用通电环形线圈实现转子悬浮，利用介磁材料实现悬浮稳定，利用静电作用实现转子高速运转及检测加矩的微陀螺，磁场和静电场干扰少，加之使用MEMS技术来制造与实现，解决了上述背景技术中的问题，集成了大的悬浮转子陀螺精度高和MEMS微陀螺成本低、可批量化的特点。
本发明通过如下技术方案来实现的，本发明包括上定子、转子、下定子、支撑环。上定子、下定子和支撑环构成一个腔，转子位于这个腔中。
上定子上设置电极层、两层绝缘支撑层、介磁材料层、环形线圈层。两层绝缘支撑层设置在介磁材料层的上下表面，电极层设置在一个绝缘支撑层的外表面，环形线圈层设置在另一个绝缘材料层的外表面。环形线圈层从内到外依次设置四个环形线圈。电极层中心设置公共电极，从内向外依次设计8个沿圆周方向均匀布置的扇形检测加矩电极、18个沿圆周方向均匀布置的扇形旋转电极。
下定子上设置电极层、两层绝缘支撑层、介磁材料层、环形线圈层。两层绝缘支撑层设置在介磁材料层的上下表面，电极层设置在一个绝缘支撑层的外表面，环形线圈层设置在另一个绝缘支撑层的外表面。环形线圈层从内到外依次设置四个环形线圈。电极层中心设置公共电极，从内向外依次设计8个沿圆周方向均匀布置的扇形检测加矩电极、18个沿圆周方向均匀布置的扇形旋转电极。
转子有两种结构方式，一种结构设置两层绝缘支撑层、永磁体，两层绝缘支撑层设置在转子上的永磁体的上下表面。20个齿均匀布置在转子的外圆周；另一种结构设置两层绝缘支撑层、永磁体，两层绝缘支撑层设置在转子上的永磁体的上下表面。20个扇形孔均匀布置在转子的外圆周，20个扇形陆域均匀布置在20个扇形孔之间。
整个器件采用基于微加工技术的方法制造，转子的永磁体可采用成型的高性能稀土合金永磁材料，用微细电火花、超精磨等方法加工成所需要的形状，然后，转子上的两层绝缘支撑层采用绝缘材料，溅射在转子的永磁体的上下表面，厚度500。当转子和定子接触时可起到绝缘作用。
上下两个定子上的介磁材料层采用介磁材料Bi或热解石墨，使用超精密微加工方法将介磁材料加工成所需的形状。每个定子上的绝缘支撑层采用绝缘材料，溅射在介磁材料层上下表面，厚度1000。上下两个定子各有四个环形线圈，每个定子上的四个环形线圈各带有一个缺口，从内向外布置在定子的绝缘支撑层的外表面，制造方法采用光刻、电镀的方法。18个扇形旋转电极按圆周方向均布在8个扇形检测加矩电极之外，而8个扇形检测加矩电极按圆周方向均布在公共电极之外，公共电极位于绝缘支撑层的外表面的中心。
支撑环可采用超精密加工方法制造。上定子、支撑环通过胶结方法或其他方法连接到一起，上定子的电极层在与支撑环相连的一侧。将转子放入上定子和支撑环构成的腔中。下定子与支撑环相连，下定子的电极层在与支撑环相连的一侧。
定义上定子和下定子及转子中心连线为轴线，则永磁体或永磁体的磁化方向应与轴线的方向平行。这样可保证上定子的四个环形线圈或下定子的四个环形线圈同时通电或只有一组通电时与转子上的永磁体产生磁场间作用力最大。
在上下定子的扇形旋转电极上施加三相直流方波电压，与转子上的齿相互作用形成变电容同步电机，在定子上任意相邻两个旋转驱动电极施加高频载波信号，通过公共电极反馈转子转动状态，保证转子恒高速转动。因而具有陀螺效应。
扇形检测加矩电极两两一组，分别施加不同频率高频载波信号，通过设置在公共引出的不同高频载波信号进行放大、滤波等处理就可以检测转子发生偏转情况，与偏转方向相应的两组扇形检测加矩电极施加直流电压，使转子发生与偏转方向相反的进动，转子归位。对此直流电压进行标定，根据力矩再平衡原理，就可测量外界输入的角速度。
与现有技术相比，本发明定子上环形线圈产生电磁场与转子永磁体相互作用，使转子悬浮，介磁体抗磁作用产生斥力使悬浮稳定。通过转子与定子之间的静电作用实现转子高速旋转驱动、检测和加矩，转子呈圆片状，驱动、检测、加矩都容易实现。旋转、检测和加矩采用静电场，而悬浮采用磁场，静电场和磁场之间干扰少，在地面上使用时，只要上定子的环形线圈通电，在太空失重情况下，上下两个定子的环形线圈都不通电，在特殊的环境下，本发明提供了上下定子环形线圈同时通电的机制，因而有较大的应用范围，可解决背景技术的不足。加之使用MEMS技术来制造与实现，集成了大的悬浮转子陀螺精度高和MEMS微陀螺成本低、可批量化的特点。
图1为本发明总体结构示意2为本发明上定子结构示意3为本发明上定子环形线圈布置示意4为本发明上定子电极布置示意5为本发明下定子结构示意6为本发明下定子环形线圈布置示意7为本发明下定子电极布置示意8为本发明外齿转子结构9为本发明内含齿转子结构图具体实施方式
如图1所示，本发明包括上定子1、转子2、下定子3、支撑环4。上定子1、下定子3和支撑环4构成一个腔，转子2位于这个腔中。
如图2-4所示，上定子1上设置电极层6、绝缘支撑层5、介磁材料层9、绝缘支撑层8、环形线圈层7。上定子1的绝缘支撑层8、绝缘支撑层5设置在介磁材料层9的上下表面，电极层6设置在绝缘支撑层5的外表面，环形线圈层7设置在绝缘材料层8的外表面，环形线圈层7从内到外依次设置环形线圈13、环形线圈12、环形线圈10、环形线圈11。电极层6中心设置公共电极16，从内向外依次设置8个沿圆周方向均匀布置的扇形检测加矩电极14、18个沿圆周方向均匀布置的扇形旋转电极15。
如图5-7所示，下定子3上设置电极层18、绝缘支撑层17、介磁材料层21、绝缘支撑层20、环形线圈层19。下定子3的绝缘支撑层17、绝缘支撑层20设置在介磁材料层21的上下表面，电极层18设置在绝缘支撑层17的外表面，环形线圈层19设置在绝缘支撑层20的外表面，环形线圈层19从内到外依次设置环形线圈25、环形线圈24、环形线圈22、环形线圈23。电极层18中心设置公共电极28，从内向外依次设置8片沿圆周方向均匀布置的扇形检测加矩电极26、18个沿圆周方向均匀布置的扇形旋转电极27。
转子2有两种结构方式，即外齿转子和内含齿转子。
如图8所示，为外齿转子结构转子2设置绝缘支撑层29、永磁体30、绝缘支撑层31，绝缘支撑层29、绝缘支撑层31设置在永磁体30的上下表面。20个齿32均匀布置在转子2的外圆周。
如图9所示，为内含齿转子，转子2设置绝缘支撑层33、永磁体34、绝缘支撑层35，绝缘支撑层33、绝缘支撑层35设置在永磁体34的上下表面。20个扇形孔36均匀布置在转子2的外圆周，20个扇形陆域37均匀布置在20个扇形孔36之间。
整个器件采用基于微加工技术的方法制造，转子2的永磁体30或34可采用成型的高性能稀土合金永磁材料，用微细电火花、超精磨等方法加工成所需要的形状，然后，绝缘支撑层31、绝缘支撑层29采用绝缘材料，溅射在永磁体30的上下表面，厚度500。绝缘支撑层33、绝缘支撑层35采用绝缘材料，溅射在永磁体34的上下表面，厚度500。当转子和定子接触时可起到绝缘作用。
定子1、3上的介磁材料层9、21采用介磁材料Bi或热解石墨，使用超精密微加工方法将介磁材料加工成所需的形状。绝缘支撑层5、绝缘支撑层8采用绝缘材料，溅射在介磁材料层9上下表面，厚度1000，绝缘支撑层17、绝缘支撑层20采用绝缘材料，溅射在介磁材料层21的上下表面，厚度1000。环形线圈13、12、10、11各带有一个缺口，从内向外布置在绝缘支撑层8的外表面，制造方法采用光刻、电镀的方法。在绝缘支撑层5的外表面上，18个扇形旋转电极15按圆周方向均布在8个扇形检测加矩电极14之外，而8个扇形检测加矩电极14按圆周方向均布在公共电极16之外，公共电极16位于绝缘支撑层5的外表面的中心。环形线圈25、24、22、23各带有一个缺口，从内向外布置在绝缘支撑层20的外表面，制造方法采用光刻、电镀的方法。在绝缘支撑层17的外表面上，18个扇形旋转电极27按圆周方向均布在8个扇形检测加矩电极26之外，而8个扇形检测加矩电极26按圆周方向均布在公共电极28之外，公共电极28位于绝缘支撑层17的外表面的中心。
支撑环4可采用超精密加工方法制造。上定子1、支撑环4通过胶结方法或其他方法连接到一起，注意，上定子1的电极层6在与支撑环4相连的一侧。将转子2放入上定子1和支撑环4构成的腔中。下定子3与支撑环4相连，下定子3的电极层18要在与支撑环4相连的一侧。
具体实施中，还有一个技术关键，如图1所示，定义上定子1和下定子3及转子2中心连线为轴线，则永磁体30或永磁体34的磁化方向应与轴线的方向平行。这样可保证环形线圈10、11、12、13或环形线圈22、23、24、25同时通电或只有一组通电时与永磁体30或34产生磁场间作用力最大。
工作时，在上定子1的一组环形线圈13、12、10、11和下定子3的一组环形线圈25、24、22、23的一组或两组同时通电，就可以形成电磁场，该电磁场与永磁体30或永磁体34相互作用，使转子2悬浮起来，此时，转子2还不能稳定悬浮，转子2的悬浮稳定是通过介磁材料层9和介磁材料层21对永磁体30或34的排斥作用实现的。至此，转子可以实现悬浮，并且稳定的悬浮，并具有抵抗外界环境干扰的能力。
在扇形旋转电极15、扇形旋转电极27上施加三相直流方波电压，与转子2上的齿32或陆域37相互作用形成变电容同步电机，在定子上任意相邻两个旋转驱动电极15、27施加高频载波信号，通过公共电极16和28反馈转子转动状态，保证转子恒高速转动。因而具有陀螺效应。
扇形检测加矩电极14、26两两一组，分别施加不同频率高频载波信号，通过公共电极16、28引出的不同高频载波信号进行放大、滤波等处理就可以检测转子发生偏转情况，与偏转方向相应的两组扇形检测加矩电极14、26施加直流电压，使转子发生与偏转方向相反的进动，转子归位。对此直流电压进行标定，根据力矩再平衡原理，就可测量外界输入的角速度。
权利要求
1.一种磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，包括上定子(1)、转子(2)、下定子(3)、支撑环(4)，其特征在于，上定子(1)上设置电极层(6)、绝缘支撑层(5、8)、介磁材料层(9)、环形线圈层(7)，绝缘支撑层(5、8)设置在介磁材料层(9)的上下表面，电极层(6)设置在绝缘支撑层(5)的外表面，环形线圈层(7)设置在绝缘材料层(8)的外表面，环形线圈层(7)从内到外依次设置环形线圈(13、12、10、11)，电极层(6)中心设置公共电极(16)，从内向外依次设置8个沿圆周方向均匀布置的扇形检测加矩电极(14)、18个沿圆周方向均匀布置的扇形旋转电极(15)；下定子(3)设置电极层(18)、绝缘支撑层(17、20)、介磁材料层(21)、环形线圈层(19)，绝缘支撑层(17、20)设置在介磁材料层(21)的上下表面，电极层(18)设置在绝缘支撑层(17)的外表面，环形线圈层(19)设置在绝缘支撑层(20)的外表面，环形线圈层(19)从内到外依次设置环形线圈(25、24、22、23)，电极层(18)中心设置公共电极(28)，从内向外依次设置8片沿圆周方向均匀布置的扇形检测加矩电极(26)、18个沿圆周方向均匀布置的扇形旋转电极(27)；转子(2)为外齿转子或者内含齿转子。
2.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，上定子(1)、支撑环(4)连接到一起，上定子(1)的电极层(6)在与支撑环(4)相连的一侧；下定子(3)与支撑环(4)相连，下定子(3)的电极层(18)在与支撑环(4)相连的一侧。
3.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，永磁体(30)或永磁体(34)的磁化方向应与轴线的方向平行，所述的轴线为上定子(1)和下定子(3)及转子(2)中心连线为轴线。
4.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，所述的外齿转子，包括绝缘支撑层(29)、永磁体(30)、绝缘支撑层(31)，绝缘支撑层(29、31)设置在永磁体(30)的上下表面，20个齿(32)均匀布置在转子(2)的外圆周。
5.如权利要求4所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，绝缘支撑层(31)、绝缘支撑层(29)溅射在永磁体(30)的上下表面，厚度500。
6.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，所述的内含齿转子，包括绝缘支撑层(33)、永磁体(34)、绝缘支撑层(35)，绝缘支撑层(33、35)设置在永磁体(34)的上下表面，20个扇形孔(36)均匀布置在转子(2)的外圆周，20个扇形陆域(37)均匀布置在20个扇形孔(36)之间。
7.如权利要求6所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，绝缘支撑层(33、35)溅射在永磁体(34)的上下表面，厚度500。
8.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，绝缘支撑层(5、8)溅射在介磁材料层(9)上下表面，厚度1000；绝缘支撑层(17)、绝缘支撑层(20)溅射在介磁材料层(21)的上下表面，厚度1000。
9.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，环形线圈(13、12、10、11)各带有一个缺口，从内向外布置在绝缘支撑层(8)的外表面，在绝缘支撑层(5)的外表面上，18个扇形旋转电极(15)按圆周方向均布在8个扇形检测加矩电极(14)之外，而8个扇形检测加矩电极(14)按圆周方向均布在公共电极(16)之外，公共电极(16)位于绝缘支撑层(5)的外表面的中心。
10.如权利要求1所述的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，其特征是，环形线圈(25、24、22、23)各带有一个缺口，从内向外布置在绝缘支撑层(20)的外表面，在绝缘支撑层(17)的外表面上，18个扇形旋转电极(27)按圆周方向均布在8个扇形检测加矩电极(26)之外，而8个扇形检测加矩电极(26)按圆周方向均布在公共电极(28)之外，公共电极(28)位于绝缘支撑层(17)的外表面的中心。
全文摘要
一种微机电技术领域的磁场可控介磁稳定悬浮转子微陀螺，上定子上设置电极层、两层绝缘支撑层、介磁材料层、环形线圈层，两层绝缘支撑层设置在介磁材料层的上下表面，电极层设置在一个绝缘支撑层的外表面，环形线圈层设置在另一个绝缘材料层的外表面，电极层中心设置公共电极，从内向外依次设置扇形检测加矩电极、扇形旋转电极；下定子结构与上定子相同，也设置电极层、两层绝缘支撑层、介磁材料层、环形线圈层；转子为外齿转子或者内含齿转子。本发明解决了上述背景技术中的问题，集成了大的悬浮转子陀螺精度高和MEMS微陀螺成本低、可批量化的特点。
文档编号G01C19/08GK1776365SQ20051011065
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月24日 优先权日2005年11月24日
发明者张卫平, 陈文元, 刘武, 赵小林 申请人:上海交通大学