專利名稱：撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺，具體是一種撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀。
背景技術(shù)：
當(dāng)前被廣泛研究的微陀螺儀可分為兩種，一種是懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，另一種是撓性陀螺儀，它們各有其特點。懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，轉(zhuǎn)子在懸浮狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速獲得的較大的提高，有助于實現(xiàn)高精度，但是懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺普遍采用雙定子結(jié)構(gòu)，并且為了提高轉(zhuǎn)子的側(cè)向剛度而需要加工側(cè)向控制電極，使得懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的加工工藝復(fù)雜，而為了除去轉(zhuǎn)子受到空氣阻力的影響，常見的懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺要使用真空封裝。撓性陀螺儀是一種高性能、低成本的精度較高的陀螺，它以撓性支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的懸浮技術(shù)而帶來一系列的優(yōu)點，故在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN1712894A，名稱為電磁驅(qū)動動力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺。該專利文中提到該系統(tǒng)包括雙定子結(jié)構(gòu)、電機驅(qū)動軸承、與軸承相連的轉(zhuǎn)子。該系統(tǒng)是通過電機驅(qū)動軸承來帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角動量，采用雙定子結(jié)構(gòu)，使用了驅(qū)動轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子兩個轉(zhuǎn)子，從而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且在工藝上很難利用微加工工藝精確加工電機驅(qū)動軸承，工藝要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀。該陀螺儀使用單定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，陀螺的角動量是通過金屬流體的高速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生的，并通過撓性梁將轉(zhuǎn)子與定子連為一體，使該陀螺儀具有很強的抗沖擊能力。轉(zhuǎn)子基體用金屬作材料，轉(zhuǎn)子上表面加工了一個由硬磁材料制造的圓環(huán)，這個圓環(huán)與轉(zhuǎn)子連為一體。在定子上加工硬磁材料，定子上的硬磁材料與轉(zhuǎn)子上表面的硬磁圓環(huán)具有磁吸引力，從而能補償撓性梁產(chǎn)生的干擾力矩，使轉(zhuǎn)子成為自由支撐體。在定子上加工檢測電極通過與轉(zhuǎn)子形成差分電容來檢測轉(zhuǎn)子的位置偏移情況，并使用反饋加矩靜電電極對轉(zhuǎn)子進行反饋控制。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子、撓性梁、定子、撓性補償硬磁圓環(huán)。轉(zhuǎn)子包括第一基體和環(huán)形腔體，環(huán)形腔體位于第一基體內(nèi)，環(huán)形腔體中注有金屬流體，環(huán)形腔體中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈所施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量；撓性補償硬磁圓環(huán)與轉(zhuǎn)子相連，位于轉(zhuǎn)子的上表面；轉(zhuǎn)子與定子通過撓性梁連接為一體，撓性梁會隨著轉(zhuǎn)子和定子相對位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形；定子包括第二基體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極與撓性補償硬磁極板，在第二基體上由內(nèi)到外分布著八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、八個檢測電極、八個反饋加矩靜電電極、四個撓性補償硬磁極板，其中反饋加矩靜電電極、撓性補償硬磁極板處于同一個以定子中心為中心的圓環(huán)上，反饋加矩靜電電極、撓性補償硬磁極板的內(nèi)徑和外徑分別相同，兩個緊鄰的反饋加矩靜電電極組成一個反饋加矩靜電電極對，反饋加矩靜電電極對與撓性補償硬磁極板彼此交替，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈位于定子的最靠近中心的位置，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈在圓周方向上呈對稱分布，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈的外側(cè)分布著八個檢測電極，八個檢測電極在圓周方向上呈對稱分布，四對反饋加矩靜電電極和四個硬磁補償極板在圓周方向都呈對稱分布。
本發(fā)明撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細(xì)加工(微細(xì)體加工和微細(xì)表面加工)工藝進行加工。轉(zhuǎn)子的基體材料為金屬，轉(zhuǎn)子的基體材料也可以是使用鎳等軟磁材料，以獲得更好的撓性補償效果。定子的基體為玻璃，在玻璃上加工種子層，再通過一系列微加工工藝在種子層上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極和撓性補償硬磁極板，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極都是以銅為材料，撓性補償硬磁極板與撓性補償硬磁圓環(huán)是以硬磁作材料的，撓性梁的材料為鎳。定子的基體也可以使用金屬作材料，以金屬作為基體材料時，需要在基體上濺射一層Al2O3絕緣層，再在Al2O3絕緣層上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極和撓性補償硬磁極板。
本發(fā)明整個系統(tǒng)采用單定子、單個轉(zhuǎn)子，并通過撓性梁將轉(zhuǎn)子與定子連為一體，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，同時又具備了很強的抗沖擊能力，能滿足在復(fù)雜環(huán)境下使用。通過金屬流體的高速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生陀螺的角動量，沒有剛性結(jié)構(gòu)之間的相對轉(zhuǎn)動，使得系統(tǒng)不需要采用真空封裝。通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈來驅(qū)動金屬流體高速旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明中充分融合了金屬流體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角動量、硬磁補償撓性梁的干擾力矩和靜電加矩反饋控制三種技術(shù)，并采用MEMS技術(shù)，使該陀螺儀又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特點。
本發(fā)明中轉(zhuǎn)子基體是用金屬作材料，在定子上加工撓性補償硬磁極板和轉(zhuǎn)子上加工撓性補償硬磁圓環(huán)通過磁吸引力來補償撓性梁產(chǎn)生的干擾力矩，使轉(zhuǎn)子成為自由支撐體。在定子上加工檢測電極與轉(zhuǎn)子形成差分電容來檢測轉(zhuǎn)子的位置偏移情況，并使用反饋加矩靜電電極對轉(zhuǎn)子進行反饋控制。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)立體2為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)立體3為本發(fā)明撓性梁立體4為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖視圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實施例包括轉(zhuǎn)子1、撓性梁2、定子3、撓性補償硬磁圓環(huán)4。撓性補償硬磁圓環(huán)4與轉(zhuǎn)子1相連，并且轉(zhuǎn)子1與定子3通過撓性梁2連接為一體，轉(zhuǎn)子1由第一基體9和環(huán)形腔體10構(gòu)成，定子3由第二基體11、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩靜電電極7與撓性補償硬磁極板8構(gòu)成。
如圖2所示，在定子3的第二基體11上由內(nèi)到外分布著旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩靜電電極7、撓性補償硬磁極板8，其中反饋加矩靜電電極7、撓性補償硬磁極板8處于同一個以定子3中心為圓心的圓環(huán)上，反饋加矩靜電電極7、撓性補償硬磁極板8的內(nèi)徑和外徑分別相同。兩個緊鄰的反饋加矩靜電電極7組成一個反饋加矩靜電電極對，反饋加矩靜電電極對與撓性補償硬磁極板8彼此交替。本發(fā)明中選用了八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、八個檢測電極6、四對反饋加矩靜電電極7與四個撓性補償硬磁極板8。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5位于定子3的最靠近中心的位置，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5在圓周方向上呈對稱分布。為了形成旋轉(zhuǎn)磁場，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5電流相位差為90°。在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5的外側(cè)分布著八個檢測電極6，八個檢測電極6在圓周方向上呈對稱分布，檢測電極6和轉(zhuǎn)子1之間形成的電容值隨轉(zhuǎn)子1的姿態(tài)不同而變化，從而檢測電極6與轉(zhuǎn)子1形成差分電容可以檢測轉(zhuǎn)子1的姿態(tài)變化。四對反饋加矩靜電電極7在圓周方向呈對稱分布，用于根據(jù)檢測電極檢測6到轉(zhuǎn)子1的偏離情況，在反饋加矩靜電電極7上施加電壓，通過靜電感應(yīng)，將在轉(zhuǎn)子1上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而在反饋加矩靜電電極7和轉(zhuǎn)子1之間產(chǎn)生靜電力使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置，以達到對轉(zhuǎn)子1進行反饋控制的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)子1發(fā)生偏移時，由于撓性梁2會產(chǎn)生干擾力矩，此干擾力矩會使轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置，因此需要補償該干擾力矩，補償?shù)哪康氖菫榱耸罐D(zhuǎn)子1成為自由支撐體。四個撓性補償硬磁極板8在圓周方向呈對稱分布用于補償撓性梁2產(chǎn)生的干擾力矩。要獲得補償效果，在轉(zhuǎn)子1上表面加工一個撓性補償硬磁圓環(huán)4，撓性補償硬磁圓環(huán)4的內(nèi)徑與定子3上撓性補償硬磁極板8在以定子3中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同，撓性補償硬磁圓環(huán)4的外徑與定子3上撓性補償硬磁極板8在以定子3中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。這個撓性補償硬磁圓環(huán)4與轉(zhuǎn)子1相連接的一面為S極硬磁材料層、另一面為N極硬磁材料層，而定子3上撓性補償硬磁極板8亦為硬磁材料，撓性補償硬磁極板8的面向轉(zhuǎn)子1的一面為N極、另一面為S極，因此撓性補償硬磁極板8與撓性補償硬磁圓環(huán)4之間有磁吸引力。當(dāng)轉(zhuǎn)子1處于平衡位置時，撓性補償硬磁圓環(huán)4受到撓性補償硬磁極板8的總磁吸引力為零，由于轉(zhuǎn)子1與撓性補償硬磁圓環(huán)4相連，從而使得轉(zhuǎn)子1所受到的硬磁材料所施加的總作用力為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置時，撓性補償硬磁圓環(huán)4受到撓性補償硬磁極板8的總磁吸引力產(chǎn)生的力矩，亦即轉(zhuǎn)子1所受到的硬磁材料所施加的總作用力產(chǎn)生的力矩與撓性柱2由于形變產(chǎn)生的干擾力矩相抵消，達到補償效果。
如圖3所示，通過如圖3所示撓性梁2把轉(zhuǎn)子1和定子3連為一體，撓性梁2的結(jié)構(gòu)為兩頭大、中間小的圓柱體，且圓柱體的兩頭大小相同，撓性梁2的兩端分別與轉(zhuǎn)子1和定子3的中心相連接。
如圖4所示，轉(zhuǎn)子1是由第一基體9和環(huán)形腔體10構(gòu)成。通過微加工工藝在第一基體9中加工出一個環(huán)形腔體10，環(huán)形腔體10的內(nèi)徑與定子3上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5在以定子3中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同，環(huán)形腔體10的外徑與定子3上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5在以定子3中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。使用微加工工藝在基體中打孔，金屬流體通過孔注入第一基體9中，從而形成環(huán)形金屬流體腔體。環(huán)形腔體10中的金屬流體受到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用，高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量，從而能響應(yīng)外界角速度的變化。
本發(fā)明撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細(xì)加工(微細(xì)體加工和微細(xì)表面加工)工藝進行加工。轉(zhuǎn)子1的第一基體9的材料為鎳，定子3的第二基體11的材料為玻璃，在玻璃上加工種子層，再通過一系列微加工工藝在種子層上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩靜電電極7和撓性補償硬磁極板8，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩靜電電極7都是以銅為材料，撓性補償硬磁極板8與撓性補償硬磁圓環(huán)4是以硬磁作材料的，撓性梁2的材料為鎳。
權(quán)利要求
1.一種撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子(1)、撓性梁(2)、定子(3)、撓性補償硬磁圓環(huán)(4)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(1)與定子(3)通過撓性梁(2)連接為一體，撓性補償硬磁圓環(huán)(4)與轉(zhuǎn)子(1)相連，位于轉(zhuǎn)子(1)的上表面；轉(zhuǎn)子(1)包括第一基體(9)和環(huán)形腔體(10)，環(huán)形腔體(10)位于第一基體(9)內(nèi)；定子(3)包括第二基體(11)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)、檢測電極(6)、反饋加矩靜電電極(7)與撓性補償硬磁極板(8)，在第二基體(11)上由內(nèi)到外分布著八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)、八個檢測電極(6)、八個反饋加矩靜電電極(7)、四個撓性補償硬磁極板(8)，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在圓周方向上呈對稱分布，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)位于定子(3)的最靠近中心的位置，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)的外側(cè)分布著八個檢測電極(6)，八個檢測電極(6)在圓周方向上呈對稱分布，四對反饋加矩靜電電極(7)和四個撓性補償硬磁極板(8)在圓周方向都呈對稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述轉(zhuǎn)子(1)上的環(huán)形腔體(10)的內(nèi)徑與定子(3)的第二基體(11)的上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性梁(2)的結(jié)構(gòu)為兩頭大、中間小的圓柱體，且圓柱體的兩頭大小相同，撓性梁(2)的兩端分別與轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)的中心相連接，撓性梁(2)會隨著轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)相對位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子(1)，其中環(huán)形腔體(10)中注有金屬流體，環(huán)形腔體(10)中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)所施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述定子(3)，其中反饋加矩靜電電極(7)、撓性補償硬磁極板(8)處于同一個以定子中心為中心的圓環(huán)上，反饋加矩靜電電極(7)、撓性補償硬磁極板(8)的內(nèi)徑和外徑分別相同，兩個緊鄰的反饋加矩靜電電極(7)組成一個反饋加矩靜電電極對，反饋加矩靜電電極對與撓性補償硬磁極板(8)彼此交替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述環(huán)形腔體(10)的外徑與定子(3)的第二基體(11)上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性補償硬磁圓環(huán)(4)的內(nèi)徑與定子(3)上撓性補償硬磁極板(8)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性補償硬磁圓環(huán)(4)的外徑與定子(3)上撓性補償硬磁極板(8)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的撓性硬磁補償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)電流相位差為90°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性補償硬磁圓環(huán)(4)與轉(zhuǎn)子(1)相連接的一面為S極硬磁材料層、另一面為N極的硬磁材料層，而定子(3)上撓性補償硬磁極板(8)為硬磁材料，撓性補償硬磁極板(8)的面向轉(zhuǎn)子(1)的一面為N極、另一面為S極。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)領(lǐng)域的撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子、定子、撓性梁、撓性補償硬磁圓環(huán)，轉(zhuǎn)子由基體和注有金屬流體的環(huán)形腔體構(gòu)成，定子包括第二基體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極與撓性補償靜電電極，在第二基體上由內(nèi)到外分布著八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、八個檢測電極、八個反饋加矩靜電電極、四個撓性補償硬磁極板，本發(fā)明使用金屬流體的高速轉(zhuǎn)動使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生角動量，沒有剛性結(jié)構(gòu)之間的相對轉(zhuǎn)動，通過撓性補償硬磁極板和撓性補償硬磁圓環(huán)之間產(chǎn)生的磁力矩消除撓性梁變形帶來的干擾力矩的影響，并使用反饋加矩靜電電極對轉(zhuǎn)子進行反饋控制。
文檔編號G01C19/12GK101055181SQ20071004146
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 周海軍, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)