CN101561274B - 静电悬浮电晕驱动旋转微陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用静电悬浮电晕驱动旋转的微陀螺，本发明包括上下定子、微转子、周边结构构成一个笼式结构，转子置于这个笼式结构的中间。定子包括旋轴向悬浮和检测电极、公共电极。定子固联在衬底上。由于静电力的作用，微转子悬浮在上下定子之间。微转子成圆环形，内侧为齿形电极，外侧均布置有周围结构，周围结构为径向悬浮检测电极。本发明结构简单，提出电晕驱动旋转结构，不需要在定子上设置旋转电极，不需转速检测既可实现转子恒高速转动。通过轴向和径向悬浮检测电极可以实现转子的悬浮控制和实现位置检测。这个器件采用MEMS微加工技术制成，易于实施。具有尺寸小，重量轻，成本低，精度高，低功耗的特点。

Description

静电悬浮电晕驱动旋转微陀螺

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。

本发明位置检测包括轴向位置检测和径向位置检测。径向位置是通过提取径向检测电极对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电极与转子之间的电容值来实现的。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：提出的利用静电悬浮电晕驱动的微陀螺结构简单，可大大提高微转子悬浮稳定性和旋转扭矩，进而提高微转子的转速，从而提高陀螺的测量精度。

附图说明

图1本发明总体结构示意图；

图2本发明上定子电极结构示意图；

图3本发明下定子电极结构示意图；

图4本发明周边结构和齿形结构示意图；

图5本发明转子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明：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并不限于下述的实施例。

如图1、2所示，本实施例包括：上定子1、下定子4、环形转子3、周边结构2、，上定子1、下定子4和周边结构2相连构成一个笼式结构，环形转子3置于这个笼式结构的中间。上定子1包括上定子第一轴向检测和悬浮电极6、上定子第二轴向检测和悬浮电极7、上定子第三轴向检测和悬浮电极8、上定子第四轴向检测和悬浮电极9、上定子第五轴向检测和悬浮电极10、上定子第六轴向检测和悬浮电极11、上定子第七轴向检测和悬浮电极12、上定子第八轴向检测和悬浮电极13、上定子公共电极5组成。其中，上定子第一轴向检测和悬浮电极6、上定子第二轴向检测和悬浮电极7、上定子第三轴向检测和悬浮电极8、上定子第四轴向检测和悬浮电极9、上定子第五轴向检测和悬浮电极10、上定子第六轴向检测和悬浮电极11、上定子第七轴向检测和悬浮电极12、上定子第八轴向检测和悬浮电极13均匀分布在以上定子中心为圆心的圆上。上定子公共电极5是一个以上定子中心为圆心的连续的导电圆环。上定子结构的连接关系为：上定子1从内往外依次是上定子公共电极5，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微转子3的最大外径。上定子公共电极5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1和下定子4结构相同，上定子1面向转子3朝下，下定子4面向转子3朝上，在空间上是垂直对应。

如图3所示，下定子4主要包括下定子第一轴向检测和悬浮电极15、下定子第二轴向检测和悬浮电极16、下定子第三轴向检测和悬浮电极17、下定子第四轴向检测和悬浮电极18、下定子第五轴向检测和悬浮电极19、下定子第六轴向检测和悬浮电极20、下定子第七轴向检测和悬浮电极21、下定子第八轴向检测和悬浮电极22、下定子公共电极14组成。其中，下定子第一轴向检测和悬浮电极15、下定子第二轴向检测和悬浮电极16、下定子第三轴向检测和悬浮电极17、下定子第四轴向检测和悬浮电极18、下定子第五轴向检测和悬浮电极19、下定子第六轴向检测和悬浮电极20、下定子第七轴向检测和悬浮电极21、下定子第八轴向检测和悬浮电极22均匀分布在以下定子4中心为圆心的圆上。下定子公共电极14是一个以下定子中心为圆心的连续的导电圆环。下定子结构的连接关系为：下定子1从内往外依次是下定子公共电极14，下定子轴向检测和悬浮电极。下定子轴向检测和悬浮电极的外径等于微转子3的最大外径。下定子公共电极14的最大外径小于下定子轴向悬浮和检测电极的最小内径。

假设参考坐标系如下：x轴平行于以上定子第二轴向悬浮检测电极7和上定子第三轴向悬浮检测电极8的中线，y轴平行于以上定子第四轴向悬浮检测电极9和上定子第五轴向悬浮检测电极10的中线，z轴垂直于x和y轴，原点是当环形转子位于平衡位置时的几何中心点。

上定子1结构和下定子4结构在空间上是垂直对应的，即上定子1结构沿z轴在下定子4上的投影是重合的。具体为：上定子第一轴向悬浮和检测电极6沿z轴在下定子4上的投影与下定子第一轴向悬浮和检测电极15是重合的，上定子第二轴向悬浮和检测电极7沿z轴在下定子上的投影与下定子第二悬浮和检测电极16是重合的。依次类推，上定子1其他结构沿z轴在下定子4上的投影与下定子4其他结构是重合的。

上下定子均采用微加工工艺技术制作。上下定子悬浮和检测电极、公共电极板可采用光刻、电镀等微加工工艺实现，具体为：先在基体上溅射Cr/Cu种子层，然后光刻相关结构，电镀Cu等到。上定子第一轴向检测和悬浮电极5在下定子上垂直投影与下定子第一轴向检测和悬浮电极15重合，上定子第二轴向检测和悬浮电极6在下定子上垂直投影与下定子第二轴向检测和悬浮电极16重合，依此类推。

如图4所示，微转子3是一种圆环形结构。包括：转子表面结构32和支撑结构33，转子表面结构32和支撑结构33均为环形结构，支撑结构33位于绝缘结构32的外侧。齿形结构31位于环形转子的内侧，可作为齿形电极，主要起使转子旋转的作用。环形转子3与齿形电极31之间有一段间隔。齿形电极31采用金属材料Ni制作，转子表面结构32可采用PMMA材料制成，转子的支撑结构层33可采用金属材料制作。

如图5所示，周边结构2设在微转子3的圆环外侧，是一个圆环式结构。主要包括：径向第一悬浮检测电极23、径向第二悬浮检测电极24、径向第三悬浮检测电极25、径向第四悬浮检测电极26、径向第五悬浮检测电极27、径向第六悬浮检测电极28、径向第七悬浮检测电极29、径向第八悬浮检测电极30。其中，径向第一悬浮检测电极23、径向第二悬浮检测电极24、径向第三悬浮检测电极25、径向第四悬浮检测电极26、径向第五悬浮检测电极27、径向第六悬浮检测电极28、径向第七悬浮检测电极29、径向第八悬浮检测电极30均匀分布在以转子中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。

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，本发明的悬浮控制包括以下几个方面：

(1)若转子沿z轴往上定子方向移动，可在上定子第八轴向检测和悬浮电极13与上定子第一轴向悬浮和检测电极6施加极性相反、幅值相等的直流电，在上定子第二轴向检测和悬浮电极7与上定子第三轴向悬浮和检测电极8施加极性相反、幅值相等的直流电，在上定子第四轴向检测和悬浮电极9与上定子第五轴向悬浮和检测电极10施加极性相反、幅值相等的直流电，在上定子第六轴向检测和悬浮电极11与上定子第七轴向悬浮和检测电极12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。若转子沿z轴往下定子方向移动，依此类推。

(2)若转子绕y轴转动，左高右低，则在上定子第六轴向悬浮和检测电极11、上定子第七轴向悬浮和检测电极12上施加极性相反、幅值相等的直流电，在下定子第二轴向悬浮和检测电极16、下定子第三轴向悬浮和检测电极17上也施加极性相反、幅值相等的直流电，即可把转子拉回到平衡位置。同理，若转子绕y轴转动，左低右高，则在上定子第二轴向悬浮和检测电极7、上定子第三轴向悬浮和检测电极8上施加极性相反、幅值相等的直流电，在下定子第六轴向悬浮和检测电极20、下定子第七轴向悬浮和检测电极21上也施加极性相反、幅值相等的直流电，即可把转子拉回到平衡位置。转子绕x轴转动，依此类推。

(3)若转子沿x轴正向移动时，即向径向第五悬浮和检测电极27、第六径向悬浮和检测电极28侧移动时，在径向第一悬浮和检测电极23、径向第二悬浮和检测电极24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。若转子沿x轴负向移动时，即向径向第一悬浮和检测电极23、第二径向悬浮和检测电极24侧移动时，在径向第五悬浮和检测电极27、径向第六悬浮和检测电极28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。转子沿y轴移动，依此类推。

本发明的旋转：环形转子3的内侧设有齿形电极31，齿形电极31与环形转子3的转子表面结构32有一定的间隔，当在当在齿形电极31上施加电压时，微转子3上的齿形电极31尖端产生电晕放电现象，形成高强的不均匀电场。这个电场就会使它和转子间的空气电离化，微转子3表面结构就会由于电晕放电作用被充电，微转子3和齿形电极31就会由于库伦排斥的作用被驱动着旋转起来。电晕驱动旋转不需要转速检测即可实现恒高速旋转，控制简单。

本陀螺工作时，其位置检测是这样完成的：

(1)当用于检测竖直方向z轴环形转子的位移信号时，若转子向上平移，给上定子第八轴向悬浮检测电极13定子第一轴向悬浮检测电极6加频率为f1的高频交流电，而在下定子轴向第八悬浮检测电极22定子轴向第一悬浮检测电极15同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；上定子第二轴向悬浮检测电极7上定子第三轴向悬浮检测电极8加频率为f2的高频交流电，而在下定子轴向第二悬浮检测电极16子轴向第三悬浮检测电极17频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；依此类推，上下定子第四轴向悬浮检测电极、上下定子第五轴向悬浮检测电极施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度频率为f3的高频载波，上下定子第六轴向悬浮检测电极、上下定子第七轴向悬浮检测电极施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度频率为f4的高频载波。再通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出环形转子输入的z轴上的位移信号。

(2)当用于检测环形转子绕y轴的位置变化时，给上定子第二轴向悬浮检测电极7上定子第三轴向悬浮检测电极8加频率为f2的高频交流电，在下定子第二轴向悬浮检测电极16定子第三轴向悬浮检测电极17相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；在上定子第六轴向悬浮检测电极11定子第七轴向悬浮检测电极12率为f4的高频交流电，而在下定子第六轴向悬浮检测电极20定子第七轴向悬浮检测电极21相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的z轴信号。

(3)当用于检测环形转子绕x轴的位置变化时，给上定子第八轴向悬浮检测电极13定子第一轴向悬浮检测电极7加频率为f1的高频交流电，在下定子第八轴向悬浮检测电极22定子第一轴向悬浮检测电极15相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；在上定子第四轴向悬浮检测电极9、定子第五轴向悬浮检测电极10加频率为f3的高频交流电，而在下定子第四轴向悬浮检测电极18定子第五轴向悬浮检测电极19相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的z轴信号。

(4)当用于检测环形转子沿x轴发生位移时，在第一径向悬浮检测电极23、第二径向悬浮检测电极24施加高频交流电，而在第五径向悬浮检测电极27、第六径向悬浮检测电极28施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的x轴信号。转子沿x轴负向发生偏移，依此类推。

(5)当用于检测环形转子沿y轴发生位移时，在第三径向悬浮检测电极25、第四径向悬浮检测电极26施加高频交流电，而在第七径向悬浮检测电极29、第八径向悬浮检测电极30施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的y轴信号。

陀螺仪可敏感二轴角速度。假设该陀螺的转子绕z轴转动的角速度为ω，转动惯量为I，该陀螺以角速度v绕y轴转动，由于陀螺的定轴性，转子将会在x轴向发生偏移，转角为v’，位于上定子1和下定子4上的相应的检测电极通过施加相应的高频载波，就会检测到转子的位置偏移，从而在相应的悬浮电极上施加电压产生再平衡力矩Mx，由再平衡力矩Mx便可得知输入y轴角速度的大小v＝Mx/Iω。陀螺敏感x轴角速度均可依次类推。

陀螺仪也可以敏感三轴向线加速度。当陀螺壳体受到如沿x轴正向的线加速度ax时，转子由于惯性仍然静止，则转子相对定子有沿x轴负向的线位移。经位移检测后，控制电子线路产生控制电压，并加到x轴向布置的径向定子电极上，于是产生x轴负向的静电平衡力Fx使转子回到壳体平衡位置。根据静电平衡力Fx，可求得输入的线加速度ax＝Fm，m为转子的质量。同理，由静电平衡力Fy、Fz可分别求得其它两轴输入的线角速度ay、az。

Claims (4)

1.一种静电悬浮电晕驱动旋转微转动陀螺，包括：上定子、下定子、环形转子、周边结构，其特征在于：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，齿形电极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的；

所述的环形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；

所述的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。

2.根据权利要求1所述的静电悬浮电晕驱动旋转微转动陀螺，其特征是，齿形电极采用金属材料Ni制作。

3.根据权利要求1所述的静电悬浮电晕驱动旋转微转动陀螺，其特征是，绝缘结构采用PMMA材料制成。

4.根据权利要求1所述的静电悬浮电晕驱动旋转微转动陀螺，其特征是，支撑结构采用金属材料制作。

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