[发明专利]静电悬浮电晕驱动旋转微陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术(MEMS)领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种静电悬浮电晕驱动旋转微陀螺。

背景技术

MEMS器件具有微小化，低成本，低功耗，可批量化生产的特点，近年来，各国的学者，工程师尝试制造悬浮转子MEMS微陀螺。

经文献检索发现美国专利“加速检测型陀螺和制造方法(acceleration-detecting type gyro and manufacturing method thereof)”(专利号5920983)提到一种能同时测量二轴角速度和三轴线加速度的悬浮转子的静电微陀螺，采用玻璃-硅-玻璃键和结构，定子是在玻璃上制造电极形成，硅起连接作用。转子采用单晶硅材料制成。其主要特点是在硅转子的上、下面上刻有许多同心环形凹槽以形成转子的同心环形突出悬浮电极，相应的，在每侧的玻璃衬底上沿周向均匀布四组悬浮电极，每组悬浮电极由一对梳状电极构成，这一对梳妆电极的弧形梳齿交叉不知，起梳齿宽度，相邻间距与转子上的环形突出电极相同，但布置的径向位置错开一定距离，这样，悬浮电极间的静电力不仅用于转子轴向的悬浮，而且对转子径向的悬浮也具有定心作用。该专利陀螺转子的旋转是基于可变电容静电微马达的原理工作的。

该技术存在如下不足，由于上述的梳妆电极对转子的径向恢复控制力相比对转子轴向的悬浮控制力要小许多，因此该专利所描述的陀螺的转子径向的控制精度和灵敏度要低于轴向的；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当位置并决定子电极的电压施加顺序，必须有专门的恒高速检测控制回路，控制复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种静电悬浮电晕驱动旋转微陀螺，通过设置齿形电极，利用电晕放电驱动转子旋转，不需要转速检测即可实现转子恒高速转动，结构和控制简单。转子可做成圆环形，方便了加工。通过设置轴向悬浮检测电极和径向悬浮检测电极实现轴向、径向悬浮控制和位置检测。

本发明通过以下技术方案来实现的，本发明包括：上定子、下定子、环形转子、周边结构，上定子、下定子和周边结构相连构成一个笼式结构，环形转子置于这个笼式结构的中间，齿形结构位于环形转子的内侧，环形转子与齿形电极之间有间隔，上定子包括上定子公共电极，上定子轴向检测和悬浮电极，上定子轴向检测和悬浮电极的外径等于环形转子的最大外径，上定子公共电极的最大外径小于上定子轴向悬浮和检测电极的最小内径，上定子轴向检测和悬浮电极均匀分布在以上定子中心为圆心的圆上，上定子和下定子结构相同，上定子面向转子朝下，下定子面向转子朝上，在空间上是垂直对应，即上定子结构沿z轴在下定子上的投影与下定子结构是重合的。

微转子是一种圆环形结构，包括：绝缘结构和支撑结构，绝缘结构和支撑结构均为环形结构，支撑结构位于绝缘结构的外侧。齿形电极采用金属材料Ni制作，绝缘结构采用PMMA材料制成，转子的支撑结构层采用金属材料制作。

周边结构是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，这八个径向电极板均匀的分布在以环形转子中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。可以分别实现径向悬浮控制和径向电容检测的功能。当转子发生径向偏移时，分别在相应径向悬浮检测电极对上施加交流电，可以实现径向电容检测，同时在相应电极上施加直流电可进一步增强径向悬浮刚度。为了保证整个器件的性能，可采用真空封装。

本发明转子的悬浮：上下定子轴向悬浮和检测电极与径向悬浮和检测电极共同构成微陀螺的悬浮控制系统。当微陀螺工作时，通过轴向位置检测发现，若转子往上移动，可在上定子轴向检测和悬浮电极与下定子轴向悬浮和检测电极施加极性相反、幅值相等的直流电，即可把转子拉回到平衡位置。若转子绕x或y轴转动，则在上下定子与转子对应位移增大的悬浮和检测极板上施加极性相反、幅值相等的直流电，即可把转子拉回到平衡位置。对与径向悬浮控制，道理也是一样。若转子沿x轴或y轴移动时，在径向悬浮和检测电极与环形转子对应位移增大的电极板上施加极性相反、幅值相等的直流电，即可把转子拉回到平衡位置。

本发明转子旋转是由电晕原理驱动的。在齿形电极上施加直流电，在齿形电极的尖端会产生电晕放电现象，这时齿形电极和环形转子之间形成一个高强的不均匀电场，齿形电极和转子之间的空气被电离，转子表面结构被不断的充电。齿形电极和转子由于库伦排斥力的作用相互影响，从而带动转子高速旋转。本陀螺的旋转不需要转速检测即可实现恒高速旋转。