[发明专利]利用电磁和电荷弛豫工作的悬浮转子微陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术(MEMS)领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种利用电 磁和电荷弛豫工作的悬浮转子微陀螺仪。

背景技术

MEMS器件具有微小化、低成本、低能耗、可批量化的特点，近年来，各国的学者、工程师 尝试设计和制造悬浮转子MEMS微陀螺。在过去的二十多年的时间里，国内外应用硅的表面微 细加工技术或者体微细加工技术加工出了很多种振动陀螺，但由于种种原因微振动陀螺很难达 到传统陀螺的高精度。

经过对现有技术的文献检索发现，中国专利号为：200410018015.7，名称为：利用静电和 电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺。该陀螺提出了静电悬浮转子结构和利用电荷弛豫驱动 转子旋转结构。根据上下定子电容检测获得转子的轴向位置，通过轴向悬浮电极上施加电压， 利用上下定子轴向悬浮电极和转子之间的静电力实现转子的轴向悬浮；同时，在定子旋转电极 上施加时序电压，利用异步电动机原理使转子发生旋转。其不足之处为：静电悬浮不能自稳控 制，需要复杂的多路解耦控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种利用电磁悬浮和电荷弛豫驱动旋转工 作的悬浮转子微陀螺，能自稳控制，且有侧向稳定电极。利用电荷弛豫使转子恒高速转动，转 子为圆环状，不需要设置电极，加工便利，结构和控制简单；通过设置双重悬浮稳定线圈实现 微转子自稳悬浮，径向悬浮检测电极进一步增强了微转子的径向稳定悬浮刚度，轴向悬浮检测 电极进一步增强了微转子的轴向稳定悬浮刚度。解决了背景技术中不能自稳悬浮的不足。

本发明通过以下技术方案来实现的，本发明包括：上定子、上定子、周边结构、微转子， 上定子、上定子上下设置，上定子、上定子和周边结构相连构成一个笼式结构，周边结构设置 在微转子周围，微转子置于笼式结构中间。

所述的上定子包括：上定子旋转电极、第一个悬浮稳定线圈内圈、第一个悬浮稳定线圈外 圈、第二个悬浮稳定线圈内圈、第二个悬浮稳定线圈外圈、上定子轴向悬浮检测电极和公共电 极，上定子从内到外，依次是：第一个悬浮稳定线圈内圈、第一个悬浮稳定线圈外圈、上定子 旋转电极、公共电极、上定子轴向悬浮检测电极、第二个悬浮稳定线圈内圈、第二个悬浮稳定 线圈外圈，其中：第一个悬浮稳定线圈内圈、第一个悬浮稳定线圈外圈，第二个悬浮稳定线圈 内圈、第二个悬浮稳定线圈外圈共同构成悬浮稳定线圈，且分别为带开口的圆形铜线圈，彼此 之间不连接，均在以上定子中心为圆心的圆上，每一个旋转电极都成扇形，均匀的分布在以上 定子的圆心为圆心的圆周上，且彼此间隔相等，轴向悬浮检测电极的每一个都成扇形，均匀的 分布在以上定子的圆心为圆心的圆周上，且彼此间隔相等，公共电极是一个连续的导电圆环， 旋转电极的最小内径大于微转子的最小内径，而旋转电极圆环的最大外径小于微转子的最大外 径，第一个悬浮稳定线圈内圈的内径小于微转子的内径，第一个悬浮稳定线圈外圈的外径大于 微转子的内径，第二个悬浮稳定线圈内圈的内径小于微转子的外径，第二个悬浮稳定线圈外圈 的外径大于微转子的外径；上定子和下定子结构相同，垂直对应。

定子的功能有两个，一是旋转功能，在其表面形成旋转电压行波，在转子的电荷弛豫层感 应出滞后的电压行波，从而带动转子高速旋转；一是实现自稳悬浮、位置检测和加矩稳定，而 轴向悬浮检测电极进一步增强了微转子的轴向悬浮刚度。周边结构的功能是实现径向电容检 测，并进一步增强径向悬浮刚度。

所述的微转子是五层圆环结构，分别为环形转子上表面电荷弛豫层、环形转子下表面电荷 弛豫层，上绝缘层、下绝缘层，支撑层，支撑层位于中间，上表面电荷弛豫层、环形转子下表 面电荷弛豫层分别通过上绝缘层、下绝缘层与支撑层相连。

所述的微转子上表面电荷弛豫层、转子下表面电荷弛豫层采用注硼掺杂多晶硅材料，上绝 缘层、下绝缘层采用SiO₂材料，支撑层采用Si材料。

所述的周边结构是一个圆环式结构，包括外围径向悬浮检测电极和内围径向悬浮检测电 极，同一径向的外围径向悬浮检测电极和内围径向悬浮检测电极位于以平衡位置时转子中心为 圆心的同一扇形区内。径向悬浮检测电极分别位于微转子的圆环内侧和外侧，外围径向悬浮检 测电极有八个电极组成，内围径向悬浮检测电极有八个电极组成。这八个电极分别可以实现增 强径向悬浮刚度和径向检测的功能。为了保证整个器件的性能，可采用真空封装。