静电悬浮电晕驱动旋转微陀螺制造技术

本发明专利技术涉及一种利用静电悬浮电晕驱动旋转的微陀螺，本发明专利技术包括上下定子、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。本发明专利技术结构简单，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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 玻璃一硅一玻璃键和结构，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。
技术实现思路
本专利技术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，利用电暈放电驱动转子旋转，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。本专利技术通过以下技术方案来实现的，本专利技术包括上定子、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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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l本专利技术总体结构示意图2本专利技术上定子电极结构示意图3本专利技术下定子电极结构示意图4本专利技术周边结构和齿形结构示意图5本专利技术转子结构示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例做详细的说明本实施例在以本专利技术技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本专利技术的保护范围并不 限于下述的实施例。如图l、 2所示，本实施例包括上定子l、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ll、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ll、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，刘凯，陈文元，刘武，戴福彦，吴校生，崔峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]