[发明专利]圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺

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型陀螺仪，具体是一种圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺。

背景技术

惯性导航系统是一种自主式导航技术，根据牛顿惯性定律直接计算出载体的位置、航向和姿态等导航参数。在工作过程中，既不向外界发射能量，也不从外部获取信息，具有不受干扰、可在任何地方使用、动态性能好、导航输出信息丰富等独特优点，在航空、航天和航海等领域得到了广泛的应用，MEMS(Micro-electromechanical Systems，微机电系统)技术的出现促使惯性导航系统向低成本、微型化、低功耗的方向发展。利用MEMS技术设计制作的悬浮转子微陀螺无机械摩擦，既具有高精度的优势，又具有尺寸小、批量化、成本低的特点，在现代及将来的军事和民用装备上具有广泛的应用前景，特别能满足微小型平台的便携式自主导航的需求。

从20世纪90年代开始，悬浮转子式微陀螺引起工业界、学术界的广泛关注，英、美、日等国的一些研究机构已开展大量悬浮转子微陀螺的研究，并取得了一定的研究成果。国内也有单位开展这方面追踪探索。

经文献检索发现，在中国专利200410018474.5“静电悬浮转子微惯性传感器及其制造方法”中，提出了一种静电悬浮转子微惯性传感器，该微惯性传感器包括下衬底层，中间金属结构层和上衬底层，中间金属结构层由金属转子和周边径向电极，下、上衬底层分别和径向电极相键合形成转子腔，轮状的金属转子处于转子腔的中心，与下、上衬底上的轴向电极和周边径向电极之间分别形成轴向电极间隙和径向电极间隙。该技术存在如下不足，转子的悬浮支承需要控制5个自由度，大大增加了对转子悬浮起支的要求，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对位置并决定子电极的电压施加顺序，必须有专门的转子恒高速检测控制回路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种圆形及多环形轴向径向充磁反磁转子电荷驰豫旋转微陀螺，依靠上、下定子中的圆柱形及多环形轴向径向充磁永磁体对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现无控制自稳起支悬浮，使其实现反磁敏感质量稳定的悬浮，同时又利用上、下定子的轴向检测及反馈电极和下定子侧向检测及反馈电极与转子之间静电力来提高微陀螺的轴向刚度、侧向刚度和抗冲击能力，增强稳定悬浮性能。本发明在施加静电电压之前，转子因反磁作用已悬浮在平衡位置，所以相比一般的静电悬浮，降低了转子的起支过程和起支控制难度，不需要复杂控制机构即可实现自稳定。本发明利用电荷驰豫使转子恒高速转动，转子上不需要设置电极，因而可做成圆平盘，结构和控制简单，也方便了加工；并且本发明可以同时检测包括沿X、Y、Z轴的三轴线加速度以及绕X、Y轴二轴角加速度。本发明也具有功耗小、实现方便，尺寸小的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现，本发明由上定子、转子和下定子三部分构成，上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子两个顶面相对，完成装配，从而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子结构中正对转子的面均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面，同样，下定子结构中正对转子的面亦均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面。

所述下定子包括下定子侧向检测及反馈电极、下定子公共电容极板、下定子轴向检测及反馈控制电极、下定子基体、下定子圆柱形永磁体、多个下定子环形永磁体、下定子旋转驱动电极；下定子圆柱形磁体外形是圆柱形的且轴向充磁，多个下定子环形永磁体外形是环形的；在下定子基体的顶面上由内而外依次分布着下定子公共电容极板、下定子旋转驱动电极、下定子轴向检测及反馈电极、下定子侧向检测及反馈电极，下定子侧向检测及反馈电极分布在下定子基体的顶面的最外围，且沿圆周分布；在下定子基体的底面，下定子圆柱形永磁体位于下定子基体表面几何结构的中线位置，而其它的环形永磁体则以下定子基体表面几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永磁体紧密嵌套配合，圆柱形永磁体紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，圆柱形永磁体是沿轴向充磁的，相邻两个永磁体依次为轴向充磁和径向充磁，相隔两个永磁体(即两个永磁体之间只隔了一个永磁体)的充磁的方向相反，所述的轴向充磁是指圆柱形及环形永磁体的磁极方向是沿着圆柱形或环形的几何中轴线(也是旋转轴线)方向，所述的径向充磁是指沿着环形永磁体的半径方向充磁的。