[发明专利]挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体是一种挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪。

背景技术

当前被广泛研究的微陀螺仪可分为两种，一种是悬浮转子式微陀螺，另一种是挠性陀螺仪，它们各有特点。悬浮转子式微陀螺，转子在悬浮状态下高速旋转，转速获得的较大的提高，有助于实现高精度，但是悬浮转子式微陀螺普遍采用双定子结构，并且为了提高转子的侧向刚度而需要加工侧向控制电极，使得悬浮转子式微陀螺的加工工艺复杂，而为了除去转子受到空气阻力的影响，常见的悬浮转子式微陀螺要使用真空封装。挠性陀螺仪是一种高性能、低成本的精度较高的陀螺，它以挠性支撑代替传统的悬浮技术而带来一系列的优点，故在惯性导航系统中获得广泛应用。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为：CN1712894A，名称为：电磁驱动动力调谐挠性转子微陀螺。该专利文中提到该系统包括：双定子结构、电机驱动轴承、与轴承相连的转子。该系统是通过电机驱动轴承来带动转子高速旋转产生角动量，采用双定子结构，使用了驱动转子和旋转转子两个转子，从而结构复杂，并且在工艺上很难利用微加工工艺精确加工电机驱动轴承，工艺要求高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪。本发明使用单定子结构，转子结构简单，陀螺的角动量是通过金属流体的高速旋转来产生的，并通过挠性梁将转子与定子连为一体，使该陀螺仪具有很强的抗冲击能力。转子的基体用软磁作材料，在定子上加工硬磁材料对转子产生磁吸引力来补偿挠性梁产生的干扰力矩，使转子成为自由支撑体。在定子上加工检测电极与转子形成差分电容来检测转子的位置偏移情况，并使用反馈加矩静电电极对转子进行反馈控制。该陀螺具有结构简单，易加工，刚性结构之间没有相对转动，无需真空封装，抗冲击能力强等优点。同时采用MEMS技术，使该陀螺仪又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：转子、挠性梁、定子。转子包括第一基体和环形腔体，环形腔体位于第一基体内，环形腔体中注有金属流体，环形腔体中的金属流体在旋转驱动线圈所施加的旋转磁场的作用下高速旋转，产生角动量；转子与定子通过挠性梁连接为一体，挠性梁会随着转子和定子相对位置的偏移而发生相应的变形；定子包括第二基体、旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极与挠性补偿硬磁极板，在第二基体上由内到外分布着八个旋转驱动线圈、八个检测电极、八个反馈加矩静电电极、四个挠性补偿硬磁极板，其中反馈加矩静电电极、挠性补偿硬磁极板处于同一个以定子中心为中心的圆环上，两个紧邻的反馈加矩静电电极组成一个反馈加矩静电电极对，反馈加矩静电电极对与挠性补偿硬磁极板彼此交替，反馈加矩静电电极、挠性补偿硬磁极板的内径和外径分别相同，旋转驱动线圈位于定子的最靠近中心的位置，八个旋转驱动线圈在圆周方向上呈对称分布，在旋转驱动线圈的外侧分布着八个检测电极，八个检测电极在圆周方向上呈对称分布，四对反馈加矩静电电极和四个硬磁补偿极板在圆周方向都呈对称分布。

本发明挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪的结构是采用微细加工(微细体加工和微细表面加工)工艺进行加工。转子的基体材料为镍，定子的基体为玻璃，在玻璃上加工种子层，再通过一系列微加工工艺在种子层上加工旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极和挠性补偿硬磁极板，旋转驱动线圈、检测电极与反馈加矩静电电极都是以铜为材料，挠性补偿硬磁极板是以硬磁为材料，挠性梁的材料为镍。定子的基体也可以使用金属作材料，以金属作为定子的基体材料时，需要在基体上溅射一层Al₂O₃绝缘层，再在Al₂O₃绝缘层上加工旋转驱动线圈、检测电极、反馈静电电极和挠性补偿硬磁极板。

本发明整个系统采用单定子、单个转子，并通过挠性梁将转子与定子连为一体，使得系统结构简单，加工方便，同时又具备了很强的抗冲击能力，能满足在复杂环境下使用。通过旋转驱动线圈来驱动金属流体高速旋转产生陀螺的角动量，没有刚性结构之间的相对转动，使得系统不需要采用真空封装。本发明中充分融合了金属流体高速旋转产生角动量、硬磁软磁补偿挠性梁的干扰力矩和静电加矩反馈控制三种技术，并采用MEMS技术，使该陀螺仪又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特点。