CN1804548A - 电磁悬浮静电驱动微转动陀螺 - Google Patents

Abstract

一种电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，属于微机电系统技术领域。本发明包括：旋转驱动电极、微转子、稳定悬浮线圈外圈、齿形电极、传感电极、基体、稳定悬浮线圈内圈、连接线，稳定悬浮线圈内圈、稳定悬浮线圈外圈、传感电极、旋转驱动电极都设在基体上，和基体形成固定联接，微转子在电磁力作用下悬浮在基体的上方，微转子呈圆环形，圆环内侧均匀分布有齿形电极，旋转驱动电极和齿形电极形成可变电容，稳定悬浮线圈内圈和稳定悬浮线圈外圈通过连接线连接。本发明提出的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺中引入了静电旋转驱动结构，通过静电驱动可以显著增大微转子的旋转扭矩和转速，进而提高微陀螺的测量精度，推广微陀螺的应用领域。

Description

电磁悬浮静电驱动微转动陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的陀螺，具体是一种电磁悬浮静电驱动微转动陀螺。

背景技术

在过去的二十多年的时间里，国内外应用硅的表面微细加工技术或者体微细加工技术加工出了很多种微振动陀螺，但由于种种原因微振动陀螺很难达到传统陀螺的高精度。上世纪90年代，Shearwood等人提出了一种电磁悬浮微转动陀螺，电磁悬浮微转动陀螺是由平面线圈、感应电极和微转子等主要部分组成的，其中平面线圈根据其功能不同又分成悬浮线圈、旋转线圈和稳定线圈三种。电磁悬浮微转动陀螺是依靠电磁感应原理和电磁力理论得以悬浮和旋转的，平面线圈上方放有微转子，悬浮线圈位于最靠近中心的位置，紧靠悬浮线圈的是旋转线圈，旋转线圈可分为多相，微转子处于旋转磁场中，处于定子线圈最外围的是稳定线圈，定子线圈之间还分布着有传感电容电极。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为：5955800，名称为：悬浮系统(Leivitation Systems)。该专利文中提到该系统是以下几个部分组成的：a)最大直径为1500μm的高导电率体；b)悬浮力产生装置；c)使转子旋转的微型装置。这种电磁悬浮转子微陀螺中，采用旋转磁场对微转子进行旋转驱动。虽然悬浮的微转子没有任何机械约束，但是微转子的旋转扭矩需要克服空气阻尼力矩和电磁阻尼的影响。旋转磁场产生的旋转扭矩不够大，因此限制了微转子的转速，进而限制了微陀螺精度的提高。检索中还发现，在杂志《传感器与执行器》(《Sensors and Actuators》)第83卷(2000年)85页的“用于陀螺上悬浮微马达的研究进展”(“Development of a levitated micromotor for applicationas a gyroscope”)文章中，Shearwood等人给出了这种陀螺的研究成果。针对直径为520微米，厚度为12微米的转子，得到的最大转速为1000转每分。该转速远远达不到高精度微陀螺的要求。为了得到高精度的陀螺，还需要进一步提高微转子的转速。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，采用静电力进行旋转驱动，使其得到的旋转扭矩比旋转磁场产生的扭矩要大得多，静电驱动扭矩能大大提高微转子的转速，解决了背景技术的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：旋转驱动电极、微转子、稳定悬浮线圈外圈、齿形电极、传感电极、基体、稳定悬浮线圈内圈、连接线。连接关系为：稳定悬浮线圈内圈、稳定悬浮线圈外圈、传感电极、旋转驱动电极都设在基体上，和基体形成固定联接，微转子在电磁力作用下悬浮在基体的上方，微转子呈圆环形，圆环内侧均匀分布有齿形电极，旋转驱动电极和齿形电极形成可变电容，稳定悬浮线圈内圈和稳定悬浮线圈外圈通过连接线连接。

微转子是一种圆环形结构，在微转子的内侧均匀分布有齿形电极。基体上的旋转驱动电极和微转子上的齿形电极形成可变电容。在可变电容的静电力的驱动下，微转子获得旋转扭矩，得以高速旋转。在微尺度下，单位体积上产生的静电力通常要比电磁力大几个数量级，可获得的静电扭矩要比电磁扭矩大很多。由于静电力是在控制电路处于开路状态下工作，静电扭矩消耗的电功率极微小，可以根据需要来提高脉冲电压以提高静电扭矩，进而提高微转子的转速，改善微陀螺的测量精度。另外本发明中引入的旋转驱动电极还可以起到微转子限位的作用，当微陀螺停止工作时，微转子停留在基体上，在旋转驱动电极的限制下，微转子不会偏离基体中心太远，便于下次再次启动。

目前，MEMS微陀螺大多都是采用哥氏加速度效应的微振动陀螺。这些微陀螺不足之处是测量精度不高，远远赶不上传统大尺度陀螺，从而限制了这些陀螺的推广应用。本发明提出的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺采用静电力进行微转子的旋转驱动，可大大提高微转子的旋转扭矩，进而提高微转子的转速，从而得到高精度的MEMS微陀螺。本发明得到的高精度微陀螺能将MEMS微陀螺的应用领域推广到航空、航天、航海以及其他的要求高精度的惯性导航系统。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2是本发明微陀螺的基体及其上面分布结构的三维视图；

图3是本发明微陀螺的微转子三维视图；

图4是本发明微陀螺旋转驱动电极和微转子齿形电极的俯视图；

图5是本发明微陀螺旋转驱动电极上施加电压的时序图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：旋转驱动电极1、微转子2、稳定悬浮线圈外圈3、齿形电极4、传感电极5、基体6、稳定悬浮线圈内圈7、连接线8。连接关系为：稳定悬浮线圈内圈7、稳定悬浮线圈外圈3、传感电极5、旋转驱动电极1都设在基体6上，和基体6形成固定联接，微转子2在电磁力作用下悬浮在基体6的上方，微转子2呈圆环形，圆环内侧均匀分布有齿形电极4，旋转驱动电极1和齿形电极4形成可变电容，稳定悬浮线圈内圈7和稳定悬浮线圈外圈3通过连接线8连接。

如图2所示，在基体6上由外而内分布有稳定悬浮线圈外圈3、连接线8和稳定悬浮线圈内圈7，三者形成一个封闭的多圈封闭的稳定悬浮线圈，共4个，在圆周方向上呈轴对称分布。线圈的引线采用埋层技术制作在底层，从线圈底部引出。线圈尺寸由微转子2的尺寸决定，稳定悬浮线圈外圈3直径要比环形微转子2的外径大，稳定悬浮线圈内圈7直径比环形微转子2内径大。当在稳定悬浮线圈内通过高频电流时，根据电磁场理论，处于线圈上方的微转子2就会受到感应电磁力的作用。稳定悬浮线圈外圈3电磁场在微转子2上感应出的电磁力分布于微转子2的外侧边缘，且倾斜向内。稳定悬浮线圈内圈7磁场产生的电磁力位于微转子2内部，且接近为轴对称分布。稳定悬浮线圈产生的分布电磁力的合力方向向上，使得微转子2得以悬浮。当微转子2的中心处于基体6的中心位置时，分布电磁力的侧向分力相互抵消，合力为竖直向上。当微转子2相对基体6中心存在偏心时，电磁力的侧向分力不再抵消，产生的侧向力方向指向转子中心，使得微转子2不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

在每个线圈的内部有两块传感电极5，共八块。处于稳定悬浮线圈内部的一对传感电极5组成一个检测电容，该检测电容和对侧的一对电极组成检测电容形成一个差分电容，一个差分电容能检测该方向上的微转子2偏转角度。八块电容极板能检测两个方向上的偏转角度。在基体6上还分布有微转子2的旋转驱动电极1。旋转驱动电极1高度方向上的尺寸比悬浮后的微转子2上表面的高度要大。在图2给出的示例中，旋转驱动电极1共有四组，每组又由6块电极组成。每个传感电极5和旋转驱动电极1的引线也是采用埋层技术制作在线圈及电极的下层，从底层引出。

如图3所示，微转子2呈圆环形，圆环内侧均匀分布有齿形电极4。微转子2采用导电性能较好的金属材料制作而成。微转子2的外径从几百微米到几千微米不等，厚度可为几十微米。在图3给出的示例中，微转子2的齿形电极4共有30个。

如图4所示，为微转子上的齿形电极和基体上的旋转驱动电极的俯视图。基体6上分布的旋转驱动电极1和环形转子内侧的齿形电极4形成可变电容，当在旋转驱动电极1上施加脉冲电压后，可变电容电极之间产生静电力驱动微转子2旋转，类似静电步进电机的旋转驱动原理。

如图5所示，工作时，每个电极上施加的脉冲电压，分别为S1，S2，，S3，S4，S5，S6。为了保持微转子2的零电位相邻两组电极上施加的信号极性相反。如图5，经过6T后，微转子2转过的角度为1个微转子2上齿形电极4的齿间距。微转子2的转速由T的大小决定。

稳定悬浮线圈和传感电极5都是平面结构，材料一般采用导电性能较好的铜，采用光刻电镀微细加工方法制造。为了减小电磁能量的耗散，基体6材料采用导磁性能较好的铁氧体。旋转驱动电极1具有很高的深宽比，可以采用准LiGA或LiGA技术制造。微转子2的材料是导电性能较好的铜或铝，可以采用激光加工方法来制造。为了提供微转子2和基体6上导体间的绝缘，线圈或电极上有一层绝缘材料起绝缘作用。

Claims (6)

1、一种电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，包括：旋转驱动电极(1)、微转子(2)、稳定悬浮线圈外圈(3)、齿形电极(4)、传感电极(5)、基体(6)、稳定悬浮线圈内圈(7)、连接线(8)，其特征在于，稳定悬浮线圈内圈(7)、稳定悬浮线圈外圈(3)、传感电极(5)、旋转驱动电极(1)都设在基体(6)上，和基体(6)形成固定联接，微转子(2)在电磁力作用下悬浮在基体(6)的上方，微转子(2)呈圆环形，圆环内侧均匀分布有齿形电极(4)，旋转驱动电极(1)和齿形电极(4)形成可变电容，稳定悬浮线圈内圈(7)和稳定悬浮线圈外圈(3)通过连接线(8)连接。

2、根据权利要求1所述的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，其特征是，在基体(6)上由外而内分布有稳定悬浮线圈外圈(3)、连接线(8)和稳定悬浮线圈内圈(7)，三者形成一个封闭的多圈封闭的稳定悬浮线圈，共4个，在圆周方向上呈轴对称分布，线圈的引线采用埋层技术制作在底层，从线圈底部引出。

3、根据权利要求2所述的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，其特征是，稳定悬浮线圈尺寸由微转子(2)的尺寸决定，稳定悬浮线圈外圈(3)直径比环形微转子(2)的外径大，稳定悬浮线圈内圈(7)直径比环形微转子(2)内径大。

4、根据权利要求1或者2或者3所述的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，其特征是，稳定悬浮线圈外圈(3)电磁场在微转子(2)上感应出的电磁力分布于微转子(2)的外侧边缘，且倾斜向内；稳定悬浮线圈内圈(7)磁场产生的电磁力位于微转子(2)内部，且接近为轴对称分布；稳定悬浮线圈产生的分布电磁力的合力方向向上，使得微转子(2)得以悬浮。

5、根据权利要求1或者2或者3所述的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，其特征是，在每个线圈的内部有两块传感电极(5)，共八块，处于稳定悬浮线圈内部的一对传感电极(5)组成一个检测电容，该检测电容和对侧的一对电极组成检测电容形成一个差分电容，一个差分电容能检测该方向上的微转子(2)偏转角度，八块电容极板能检测两个方向上的偏转角度。

6、根据权利要求1所述的电磁悬浮静电驱动微转动陀螺，其特征是，旋转驱动电极(1)高度方向上的尺寸比悬浮后的微转子(2)上表面的高度大。

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