[发明专利]反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺

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，涉及的是一种反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺

背景技术

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年内成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一。主要受汽车工业的驱动，微加工振动式机械微陀螺仪正在过去几年已取得了广泛的研究，性能显著提高。与此同时，为克服振动式微机械陀螺仪的支悬对称结构性和模态匹配对制造缺陷、温度变化等敏感性，即可进行振动微陀螺结构设计改进，另一方面又要尝试研制新型结构方法的微陀螺，悬浮转子微陀螺因此已得到美、日、英等国的重视，于20世纪90年代初着手研究，并取得一定的研究成果。

经过对现有技术的文献检索发现，B.Damrongsak，M.Kraft在《The 4th IEEEConf.on sensors》(Nov.2005，401-404页)上发表“A MicromachinedElectrostatically Suspended Gyroscope with Digital Force Feedback”，该文提出一种静电悬浮盘形转子的微陀螺。根据上下定子电容检测获得转子的轴向位置，通过轴向悬浮电极上施加电压，利用上下定子轴向悬浮电极和转子之间的静电力实现转子的轴向悬浮；该陀螺旋转是基于可变电容静电微马达的原理工作的。不足之处在于：需要提供悬浮静电力电极和稳定X、Y轴方向位置的控制电极，控制相对复杂，不能自稳悬浮，并且工艺相对复杂；采用变电容旋转驱动的方法，控制方法也较复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺，采用永磁材料和反磁材料相结合，使其采用悬浮式反磁敏感质量块，依靠上、下定子对反磁转子提供平衡重力的悬浮力和侧向稳定力，实现自稳定悬浮，功耗小，实现方便，尺寸小，工艺更简单。另外利用电晕作用驱动转子旋转，不需要转速检测即可实现转子的恒高速转动，并且力矩大，结构和控制简单。转子内侧只需要设置齿形电极，因此可做成圆环状，也方便了加工。径向悬浮检测电极进一步增强了微转子的径向稳定悬浮刚度，轴向悬浮检测电极进一步增强了微转子的轴向稳定悬浮刚度，解决背景技术中不能自稳悬浮和控制复杂的不足。

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、周边结构、微转子，齿形结构，上定子、下定子上下设置，上定子、下定子通过周边结构相连构成一个笼式结构，周边结构设置在微转子周围，微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，微转子与齿形结构之间有间隔，上定子包括上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极、上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子多个环形轴向充磁永磁体，圆柱形轴向充磁永磁体的圆心通过整个结构的中心线，上定子环形轴向充磁永磁体围绕圆柱形轴向充磁永磁体依次向外排列，上定子轴向悬浮检测电极位于以上定子的中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等，上定子轴向悬浮检测电极板的外径小于上定子多个环形轴向充磁永磁体的外径，上定子多个环形轴向充磁永磁体的外径大于环形转子的外径。在上定子面向转子的面上从内向外依次是上定子公共电极，上定子轴向检测电极。上定子轴向检测电极、上定子公共电极与上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子多个环形轴向充磁永磁体共同固联在基体上，上定子和下定子结构相同，在空间上相向垂直对应。

微转子是一种圆环形结构，主要包括反磁结构层和绝缘结构。绝缘结构和反磁结构层均为环形结构，且绝缘结构位于反磁结构层的内侧。齿形结构采用金属材料Ni制作，绝缘结构可采用PMMA材料制成，转子的反磁结构层采用反磁材料。当在齿形结构施加电压时，转子就会由于库伦排斥的作用被驱动着旋转起来。

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微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。

本发明不仅具有能够自稳的设置：上下定子圆柱形充磁永磁体、上下定子多个环形充磁永磁体和环形转子，而且具有轴向和径向两个悬浮设置，多个悬浮设置可以相互补充，提高陀螺整体悬浮刚度和效果。