靜電懸浮電暈驅動旋轉微陀螺的製作方法

2023-06-05 20:55:01 2

專利名稱：靜電懸浮電暈驅動旋轉微陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電技術(MEMS)領域的微陀螺，具體地說，涉及的 是一種靜電懸浮電暈驅動旋轉微陀螺。
背景技術：
MEMS器件具有微小化，低成本，低功耗，可批量化生產的特點，近年來， 各國的學者，工程師嘗試製造懸浮轉子MEMS微陀螺。
經文獻檢索發現美國專利"加速檢測型陀螺和製造方法(acceleration -detecting type gyro and manufacturing method thereof)"(專利號5920983) 提到一種能同時測量二軸角速度和三軸線加速度的懸浮轉子的靜電微陀螺，採用 玻璃一矽一玻璃鍵和結構，定子是在玻璃上製造電極形成，矽起連接作用。轉子 採用單晶矽材料製成。其主要特點是在矽轉子的上、下面上刻有許多同心環形凹 槽以形成轉子的同心環形突出懸浮電極，相應的，在每側的玻璃襯底上沿周向均 勻布四組懸浮電極，每組懸浮電極由一對梳狀電極構成，這一對梳妝電極的弧形 梳齒交叉不知，起梳齒寬度，相鄰間距與轉子上的環形突出電極相同，但布置的 徑向位置錯開一定距離，這樣，懸浮電極間的靜電力不僅用於轉子軸向的懸浮， 而且對轉子徑向的懸浮也具有定心作用。該專利陀螺轉子的旋轉是基於可變電容 靜電微馬達的原理工作的。
該技術存在如下不足，由於上述的梳妝電極對轉子的徑向恢復控制力相比對 轉子軸向的懸浮控制力要小許多，因此該專利所描述的陀螺的轉子徑向的控制精 度和靈敏度要低於軸向的；由於採用可變電容使轉子高速旋轉，定轉子上必須有 分離的電極或相當於電極的陸域，結構複雜。同時為了保證轉子的恆高速轉動， 必須實時檢測定轉子的相當位置並決定子電極的電壓施加順序，必須有專門的恆 高速檢測控制迴路，控制複雜。

發明內容
本發明的目的在於針對已有技術的不足，提出一種靜電懸浮電暈驅動旋轉微 陀螺，通過設置齒形電極，利用電暈放電驅動轉子旋轉，不需要轉速檢測即可實現轉子恆高速轉動，結構和控制簡單。轉子可做成圓環形，方便了加工。通過設 置軸向懸浮檢測電極和徑向懸浮檢測電極實現軸向、徑向懸浮控制和位置檢測。
本發明通過以下技術方案來實現的，本發明包括上定子、下定子、環形轉 子、周邊結構，上定子、下定子和周邊結構相連構成一個籠式結構，環形轉子置 於這個籠式結構的中間，齒形結構位於環形轉子的內側，環形轉子與齒形電極之 間有間隔，上定子包括上定子公共電極，上定子軸向檢測和懸浮電極，上定子軸 向檢測和懸浮電極的外徑等於環形轉子的最大外徑，上定子公共電極的最大外徑 小於上定子軸向懸浮和檢測電極的最小內徑，上定子軸向檢測和懸浮電極均勻分 布在以上定子中心為圓心的圓上，上定子和下定子結構相同，上定子面向轉子朝 下，下定子面向轉子朝上，在空間上是垂直對應，即上定子結構沿z軸在下定子 上的投影與下定子結構是重合的。
微轉子是一種圓環形結構，包括絕緣結構和支撐結構，絕緣結構和支撐結 構均為環形結構，支撐結構位於絕緣結構的外側。齒形電極採用金屬材料Ni制 作，絕緣結構採用PMMA材料製成，轉子的支撐結構層採用金屬材料製作。
周邊結構是一個圓環式結構，包括八個徑向懸浮檢測電極，這八個徑向電極 板均勻的分布在以環形轉子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。可以分別實現 徑向懸浮控制和徑向電容檢測的功能。當轉子發生徑向偏移時，分別在相應徑向 懸浮檢測電極對上施加交流電，可以實現徑向電容檢測，同時在相應電極上施加 直流電可進一步增強徑向懸浮剛度。為了保證整個器件的性能，可採用真空封裝。
本發明轉子的懸浮上下定子軸向懸浮和檢測電極與徑向懸浮和檢測電極共 同構成微陀螺的懸浮控制系統。當微陀螺工作時，通過軸向位置檢測發現，若轉 子往上移動，可在上定子軸向檢測和懸浮電極與下定子軸向懸浮和檢測電極施加 極性相反、幅值相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。若轉子繞X或y 軸轉動，則在上下定子與轉子對應位移增大的懸浮和檢測極板上施加極性相反、 幅值相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。對與徑向懸浮控制，道理也是 一樣。若轉子沿x軸或y軸移動時，在徑向懸浮和檢測電極與環形轉子對應位移 增大的電極板上施加極性相反、幅值相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。
本發明轉子旋轉是由電暈原理驅動的。在齒形電極上施加直流電，在齒形電 極的尖端會產生電暈放電現象，這時齒形電極和環形轉子之間形成一個高強的不均勻電場，齒形電極和轉子之間的空氣被電離，轉子表面結構被不斷的充電。齒 形電極和轉子由於庫倫排斥力的作用相互影響，從而帶動轉子高速旋轉。本陀螺 的旋轉不需要轉速檢測即可實現恆高速旋轉。
本發明位置檢測包括軸向位置檢測和徑向位置檢測。徑向位置是通過提取徑 向檢測電極對和轉子之間的電容值來實現的。軸向位置檢測是通過提取上下定子 軸向檢測電極與轉子之間的電容值來實現的。
與現有技術相比，本發明具有以下的有益效果提出的利用靜電懸浮電暈驅 動的微陀螺結構簡單，可大大提高微轉子懸浮穩定性和旋轉扭矩，進而提高微轉 子的轉速，從而提高陀螺的測量精度。


圖l本發明總體結構示意圖2本發明上定子電極結構示意圖3本發明下定子電極結構示意圖4本發明周邊結構和齒形結構示意圖5本發明轉子結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例做詳細的說明本實施例在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍並不 限於下述的實施例。
如圖l、 2所示，本實施例包括上定子l、下定子4、環形轉子3、周邊結
構2、，上定子1、下定子4和周邊結構2相連構成一個籠式結構，環形轉子3 置於這個籠式結構的中間。上定子1包括上定子第一軸向檢測和懸浮電極6、上 定子第二軸向檢測和懸浮電極7、上定子第三軸向檢測和懸浮電極8、上定子第 四軸向檢測和懸浮電極9、上定子第五軸向檢測和懸浮電極10、上定子第六軸向 檢測和懸浮電極ll、上定子第七軸向檢測和懸浮電極12、上定子第八軸向檢測 和懸浮電極13、上定子公共電極5組成。其中，上定子第一軸向檢測和懸浮電 極6、上定子第二軸向檢測和懸浮電極7、上定子第三軸向檢測和懸浮電極8、 上定子第四軸向檢測和懸浮電極9、上定子第五軸向檢測和懸浮電極10、上定子 第六軸向檢測和懸浮電極ll、上定子第七軸向檢測和懸浮電極12、上定子第八軸向檢測和懸浮電極13均勻分布在以上定子中心為圓心的圓上。上定子公共電 極5是一個以上定子中心為圓心的連續的導電圓環。上定子結構的連接關係為 上定子1從內往外依次是上定子公共電極5，上定子軸向檢測和懸浮電極。上定 子軸向檢測和懸浮電極的外徑等於微轉子3的最大外徑。上定子公共電極5的最 大外徑小於上定子軸向懸浮和檢測電極的最小內徑。上定子1和下定子4結構相 同，上定子1面向轉子3朝下，下定子4面向轉子3朝上，在空間上是垂直對應。
如圖3所示，下定子4主要包括下定子第一軸向檢測和懸浮電極15、下定 子第二軸向檢測和懸浮電極16、下定子第三軸向檢測和懸浮電極17、下定子第 四軸向檢測和懸浮電極18、下定子第五軸向檢測和懸浮電極19、下定子第六軸 向檢測和懸浮電極20、下定子第七軸向檢測和懸浮電極21、下定子第八軸向檢 測和懸浮電極22、下定子公共電極14組成。其中，下定子第一軸向檢測和懸浮 電極15、下定子第二軸向檢測和懸浮電極16、下定子第三軸向檢測和懸浮電極 17、下定子第四軸向檢測和懸浮電極18、下定子第五軸向檢測和懸浮電極19、 下定子第六軸向檢測和懸浮電極20、下定子第七軸向檢測和懸浮電極21、下定 子第八軸向檢測和懸浮電極22均勻分布在以下定子4中心為圓心的圓上。下定 子公共電極14是一個以下定子中心為圓心的連續的導電圓環。下定子結構的連 接關係為下定子1從內往外依次是下定子公共電極14，下定子軸向檢測和懸 浮電極。下定子軸向檢測和懸浮電極的外徑等於微轉子3的最大外徑。下定子公 共電極14的最大外徑小於下定子軸向懸浮和檢測電極的最小內徑。
假設參考坐標系如下x軸平行於以上定子第二軸向懸浮檢測電極7和上定 子第三軸向懸浮檢測電極8的中線，y軸平行於以上定子第四軸向懸浮檢測電極 9和上定子第五軸向懸浮檢測電極10的中線，z軸垂直於x和y軸，原點是當環 形轉子位於平衡位置時的幾何中心點。
上定子1結構和下定子4結構在空間上是垂直對應的，即上定子1結構沿z 軸在下定子4上的投影是重合的。具體為上定子第一軸向懸浮和檢測電極6 沿z軸在下定子4上的投影與下定子第一軸向懸浮和檢測電極15是重合的，上 定子第二軸向懸浮和檢測電極7沿z軸在下定子上的投影與下定子第二懸浮和檢 測電極16是重合的。依次類推，上定子l其他結構沿z軸在下定子4上的投影 與下定子4其他結構是重合的。上下定子均採用微加工工藝技術製作。上下定子懸浮和檢測電極、公共電極 板可採用光刻、電鍍等微加工工藝實現，具體為先在基體上濺射Cr/Cu種子層， 然後光刻相關結構，電鍍Cu等到。上定子第一軸向檢測和懸浮電極5在下定子 上垂直投影與下定子第一軸向檢測和懸浮電極15重合，上定子第二軸向檢測和 懸浮電極6在下定子上垂直投影與下定子第二軸向檢測和懸浮電極16重合，依 此類推。
如圖4所示，微轉子3是一種圓環形結構。包括轉子表面結構32和支撐 結構33，轉子表面結構32和支撐結構33均為環形結構，支撐結構33位於絕緣 結構32的外側。齒形結構31位於環形轉子的內側，可作為齒形電極，主要起使 轉子旋轉的作用。環形轉子3與齒形電極31之間有一段間隔。齒形電極31採用 金屬材料Ni製作，轉子表面結構32可採用PMMA材料製成，轉子的支撐結構層 33可採用金屬材料製作。
如圖5所示，周邊結構2設在微轉子3的圓環外側，是一個圓環式結構。主 要包括徑向第一懸浮檢測電極23、徑向第二懸浮檢測電極24、徑向第三懸浮 檢測電極25、徑向第四懸浮檢測電極26、徑向第五懸浮檢測電極27、徑向第六 懸浮檢測電極28、徑向第七懸浮檢測電極29、徑向第八懸浮檢測電極30。其中， 徑向第一懸浮檢測電極23、徑向第二懸浮檢測電極24、徑向第三懸浮檢測電極 25、徑向第四懸浮檢測電極26、徑向第五懸浮檢測電極27、徑向第六懸浮檢測 電極28、徑向第七懸浮檢測電極29、徑向第八懸浮檢測電極30均勻分布在以轉 子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。
上下定子軸向懸浮和檢測電極與徑向懸浮和檢測電極共同構成微陀螺的懸 浮控制系統。當微陀螺工作時，通過軸向位置檢測，本發明的懸浮控制包括以下 幾個方面
(1)若轉子沿z軸往上定子方向移動，可在上定子第八軸向檢測和懸浮電 極13與上定子第一軸向懸浮和檢測電極6施加極性相反、幅值相等的直流電， 在上定子第二軸向檢測和懸浮電極7與上定子第三軸向懸浮和檢測電極8施加極 性相反、幅值相等的直流電，在上定子第四軸向檢測和懸浮電極9與上定子第五 軸向懸浮和檢測電極IO施加極性相反、幅值相等的直流電，在上定子第六軸向 檢測和懸浮電極11與上定子第七軸向懸浮和檢測電極12施加極性相反、幅值相
7等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。若轉子沿z軸往下定子方向移動，依 此類推。
(2) 若轉子繞y軸轉動，左高右低，則在上定子第六軸向懸浮和檢測電極 11、上定子第七軸向懸浮和檢測電極12上施加極性相反、幅值相等的直流電， 在下定子第二軸向懸浮和檢測電極16、下定子第三軸向懸浮和檢測電極17上也 施加極性相反、幅值相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。同理，若轉子 繞y軸轉動，左低右高，則在上定子第二軸向懸浮和檢測電極7、上定子第三軸 向懸浮和檢測電極8上施加極性相反、幅值相等的直流電，在下定子第六軸向懸 浮和檢測電極20、下定子第七軸向懸浮和檢測電極21上也施加極性相反、幅值 相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。轉子繞x軸轉動，依此類推。
(3) 若轉子沿x軸正向移動時，即向徑向第五懸浮和檢測電極27、第六徑 向懸浮和檢測電極28側移動時，在徑向第一懸浮和檢測電極23、徑向第二懸浮 和檢測電極24上施加極性相反、幅值相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位 置。若轉子沿x軸負向移動時，即向徑向第一懸浮和檢測電極23、第二徑向懸 浮和檢測電極24側移動時，在徑向第五懸浮和檢測電極27、徑向第六懸浮和檢 測電極28上施加極性相反、幅值相等的直流電，即可把轉子拉回到平衡位置。 轉子沿y軸移動，依此類推。
本發明的旋轉環形轉子3的內側設有齒形電極31，齒形電極31與環形轉 子3的轉子表面結構32有一定的間隔，當在當在齒形電極31上施加電壓時，微 轉子3上的齒形電極31尖端產生電暈放電現象，形成高強的不均勻電場。這個 電場就會使它和轉子間的空氣電離化，微轉子3表面結構就會由於電暈放電作用 被充電，微轉子3和齒形電極31就會由於庫倫排斥的作用被驅動著旋轉起來。 電暈驅動旋轉不需要轉速檢測即可實現恆高速旋轉，控制簡單。
本陀螺工作時，其位置檢測是這樣完成的 (1)當用於檢測豎直方向z軸環形轉子的位移信號時，若轉子向上平移， 給上定子第八軸向懸浮檢測電極13定子第一軸向懸浮檢測電極6加頻率為f 1 的高頻交流電，而在下定子軸向第八懸浮檢測電極22定子軸向第一懸浮檢測電 極15同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；上定子第二軸向 懸浮檢測電極7上定子第三軸向懸浮檢測電極8加頻率為f2的高頻交流電，而在下定子軸向第二懸浮檢測電極16子軸向第三懸浮檢測電極17頻率、幅值大小 相等、相位差180度的高頻交流載波；依此類推，上下定子第四軸向懸浮檢測電 極、上下定子第五軸向懸浮檢測電極施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180 度頻率為f3的高頻載波，上下定子第六軸向懸浮檢測電極、上下定子第七軸向 懸浮檢測電極施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度頻率為f4的高頻載 波。再通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經過電路調理可以檢測出環形轉 子輸入的z軸上的位移信號。
(2) 當用於檢測環形轉子繞y軸的位置變化時，給上定子第二軸向懸浮檢 測電極7上定子第三軸向懸浮檢測電極8加頻率為f2的高頻交流電，在下定子 第二軸向懸浮檢測電極16定子第三軸向懸浮檢測電極17相同頻率、幅值大小相 等、相位差180度的高頻交流載波；在上定子第六軸向懸浮檢測電極ll定子第 七軸向懸浮檢測電極12率為f4的高頻交流電，而在下定子第六軸向懸浮檢測電 極20定子第七軸向懸浮檢測電極21相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的 高頻交流載波，通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經過電路調理可以檢測 出輸入的z軸信號。
(3) 當用於檢測環形轉子繞x軸的位置變化時，給上定子第八軸向懸浮檢 測電極13定子第一軸向懸浮檢測電極7加頻率為fl的高頻交流電，在下定子第 八軸向懸浮檢測電極22定子第一軸向懸浮檢測電極15相同頻率、幅值大小相等、 相位差180度的高頻交流載波；在上定子第四軸向懸浮檢測電極9、定子第五軸 向懸浮檢測電極10加頻率為f3的高頻交流電，而在下定子第四軸向懸浮檢測電 極18定子第五軸向懸浮檢測電極19相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的 高頻交流載波，通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經過電路調理可以檢測 出輸入的z軸信號。
(4) 當用於檢測環形轉子沿x軸發生位移時，在第一徑向懸浮檢測電極23、 第二徑向懸浮檢測電極24施加高頻交流電，而在第五徑向懸浮檢測電極27、第 六徑向懸浮檢測電極28施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交 流載波；通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經過電路調理可以檢測出輸入 的x軸信號。轉子沿x軸負向發生偏移，依此類推。
(5) 當用於檢測環形轉子沿y軸發生位移時，在第三徑向懸浮檢測電極25、第四徑向懸浮檢測電極26施加高頻交流電，而在第七徑向懸浮檢測電極29、第 八徑向懸浮檢測電極30施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交 流載波；通過定子公共電極板輸出差分電容信號，經過電路調理可以檢測出輸入
的y軸信號。
陀螺儀可敏感二軸角速度。假設該陀螺的轉子繞Z軸轉動的角速度為M，轉
動慣量為I，該陀螺以角速度v繞y軸轉動，由於陀螺的定軸性，轉子將會在x 軸向發生偏移，轉角為v'，位於上定子1和下定子4上的相應的檢測電極通過 施加相應的高頻載波，就會檢測到轉子的位置偏移，從而在相應的懸浮電極上施 加電壓產生再平衡力矩Mx，由再平衡力矩Mx便可得知輸入y軸角速度的大小 v = M，^。陀螺敏感x軸角速度均可依次類推。
陀螺儀也可以敏感三軸向線加速度。當陀螺殼體受到如沿x軸正向的線加 速度ax時，轉子由於慣性仍然靜止，則轉子相對定子有沿x軸負向的線位移。 經位移檢測後，控制電子線路產生控制電壓，並加到x軸向布置的徑向定子電極 上，於是產生x軸負向的靜電平衡力Fx使轉子回到殼體平衡位置。根據靜電平 衡力Fx，可求得輸入的線加速度ax =Fm， m為轉子的質量。同理，由靜電平衡 力Fy、 Fz可分別求得其它兩軸輸入的線角速度ay、 az。
權利要求
1、一種靜電懸浮電暈驅動旋轉微轉動陀螺，包括上定子、下定子、環形轉子、周邊結構，其特徵在於上定子、下定子和周邊結構相連構成一個籠式結構，環形轉子置於這個籠式結構的中間，齒形結構位於環形轉子的內側，環形轉子與齒形電極之間有間隔，上定子包括上定子公共電極，上定子軸向檢測和懸浮電極，上定子軸向檢測和懸浮電極的外徑等於環形轉子的最大外徑，上定子公共電極的最大外徑小於上定子軸向懸浮和檢測電極的最小內徑，上定子軸向檢測和懸浮電極均勻分布在以上定子中心為圓心的圓上，上定子和下定子結構相同，上定子面向轉子朝下，下定子面向轉子朝上，在空間上是垂直對應的。
2、 根據權利要求l所述的靜電懸浮電暈驅動旋轉微轉動陀螺，其特徵是， 微轉子是一種圓環形結構，包括絕緣結構和支撐結構，絕緣結構和支撐結構均 為環形結構，支撐結構位於絕緣結構的外側。
3、 根據權利要求1所述的靜電懸浮電暈驅動旋轉微轉動陀螺，其特徵是， 齒形電極採用金屬材料Ni製作。
4、 根據權利要求2所述的靜電懸浮電暈驅動旋轉微轉動陀螺，其特徵是， 絕緣結構採用PMMA材料製成。
5、 根據權利要求2所述的靜電懸浮電暈驅動旋轉微轉動陀螺，其特徵是， 支撐結構層採用金屬材料製作。
6、 根據權利要求1所述的靜電懸浮電暈驅動旋轉微轉動陀螺，其特徵是， 周邊結構是一個圓環式結構，包括八個徑向懸浮檢測電極，這八個徑向電極板均 勻的分布在以環形轉子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。
全文摘要
本發明涉及一種利用靜電懸浮電暈驅動旋轉的微陀螺，本發明包括上下定子、微轉子、周邊結構構成一個籠式結構，轉子置於這個籠式結構的中間。定子包括旋軸向懸浮和檢測電極、公共電極。定子固聯在襯底上。由於靜電力的作用，微轉子懸浮在上下定子之間。微轉子成圓環形，內側為齒形電極，外側均布置有周圍結構，周圍結構為徑向懸浮檢測電極。本發明結構簡單，提出電暈驅動旋轉結構，不需要在定子上設置旋轉電極，不需轉速檢測既可實現轉子恆高速轉動。通過軸向和徑向懸浮檢測電極可以實現轉子的懸浮控制和實現位置檢測。這個器件採用MEMS微加工技術製成，易於實施。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低功耗的特點。
文檔編號G01C19/06GK101561274SQ20091005214
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月27日
發明者凱 劉, 武 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛平, 戴福彥, 陳文元 申請人:上海交通大學