專利名稱：流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(shù)領域的微陀螺，具體是一種流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀。
背景技術(shù)：
當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，故在慣性導航系統(tǒng)中獲得廣泛應用。
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，提出一種流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀。該陀螺儀使用單定子結(jié)構(gòu)，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。在轉(zhuǎn)子上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈與轉(zhuǎn)子成為一體，有效減小由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場對轉(zhuǎn)子所造成的干擾，從而使得轉(zhuǎn)子能更好的響應外界角速度的變化。轉(zhuǎn)子的基體是用金屬作材料，在定子上加工電極通過靜電感應對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生靜電力來補償撓性梁產(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，并使用反饋加矩線圈對轉(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。轉(zhuǎn)子包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、絕緣層、角動量層，角動量層又由第二基體和環(huán)形腔體構(gòu)成，環(huán)形腔體位于第二基體內(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，絕緣層設于角動量層的上表面，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈設于絕緣層的上表面，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈在以轉(zhuǎn)子的中心為圓心的圓周方向上呈對稱分布，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)生相應的變形；定子包括第一基體、檢測電極、反饋加矩線圈、撓性補償靜電電極，在第一基體的上表面的內(nèi)側(cè)分布著八個檢測電極，第一基體的上表面的外側(cè)分布著四個反饋加矩線圈、八個撓性補償靜電電極，其中反饋加矩線圈、撓性補償靜電電極處于同一個以定子中心為圓心的圓環(huán)上，反饋加矩線圈、撓性補償靜電電極的內(nèi)徑和外徑分別相同，兩個緊鄰的撓性補償靜電電極形成撓性補償靜電電極對，反饋加矩線圈與撓性補償靜電電極對彼此交替，八個檢測電極在圓周方向上呈對稱分布，四個反饋加矩線圈和四對撓性補償靜電電極在圓周方向都呈對稱分布。
本發(fā)明流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細加工(微細體加工和微細表面加工)工藝進行加工。轉(zhuǎn)子的基體材料為鎳，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈的材料是銅，轉(zhuǎn)子的絕緣層是Al2O3絕緣層。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檢測電極、反饋加矩線圈和撓性補償靜電電極，檢測電極、反饋加矩線圈與撓性補償靜電電極都是以銅為材料，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絕緣層上加工檢測電極、反饋加矩線圈和撓性補償靜電電極。
本發(fā)明具有實質(zhì)性進步，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)，并將旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈加工于轉(zhuǎn)子上，使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈與轉(zhuǎn)子成為一體，有效減小由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場對轉(zhuǎn)子所造成的干擾，從而使得轉(zhuǎn)子能更好的響應外界角速度的變化。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、靜電補償撓性梁的干擾力矩和線圈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)子是用金屬作材料，在定子上加工撓性補償靜電電極通過靜電感應對轉(zhuǎn)子施加靜電力來補償撓性梁產(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，并使用反饋加矩線圈對轉(zhuǎn)子進行反饋控制。


圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)立體3為本發(fā)明撓性梁結(jié)構(gòu)立體4為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)立體5為本發(fā)明轉(zhuǎn)子角動量層結(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、圖5所示，本實施例包括轉(zhuǎn)子1、撓性梁2、定子3。轉(zhuǎn)子1與定子3通過撓性梁2連為一體，撓性梁2會隨著轉(zhuǎn)子1和定子3的相對位置的偏移而發(fā)生形變。轉(zhuǎn)子1由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8、絕緣層9、角動量層10構(gòu)成，角動量層10又由第二基體11和環(huán)形腔體12構(gòu)成。定子3由第一基體4、檢測電極5、反饋加矩線圈6、撓性補償靜電電極7。
如圖2所示，在定子3的第一基體4的上表面的內(nèi)側(cè)分布著檢測電極5，第一基體4的上表面的外側(cè)分布著反饋加矩線圈6、撓性補償靜電電極7，其中反饋加矩線圈6、撓性補償靜電電極7處于同一個以定子3中心為圓心的圓環(huán)上，反饋加矩線圈6、撓性補償靜電電極7的內(nèi)徑和外徑分別相同。兩個緊鄰的撓性補償靜電電極7形成撓性補償靜電電極對，反饋加矩線圈6與撓性補償靜電電極對彼此交替。本發(fā)明中選用了八個檢測電極5、四個反饋加矩線圈6與四對撓性補償靜電電極7。八個檢測電極5在圓周方向上呈對稱分布，檢測電極5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5與轉(zhuǎn)子1形成的差分檢測電容可以檢測微轉(zhuǎn)子1的位置變化。四個反饋加矩線圈6在圓周方向呈對稱分布，用于根據(jù)檢測電極5檢測到轉(zhuǎn)子1的偏離情況，通過在反饋加矩線圈6上施加電壓產(chǎn)生電磁力使轉(zhuǎn)子1恢復到平衡位置，以達到對轉(zhuǎn)子1進行反饋控制的效果。四對撓性補償靜電電極7在圓周方向也呈對稱分布，撓性補償靜電電極7用于補償撓性梁2由于形變引起的干擾力矩。當轉(zhuǎn)子1發(fā)生偏移時，由于撓性梁2會產(chǎn)生干擾力矩，此干擾力矩會引起轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置，因此需要補償該干擾力矩，補償?shù)慕Y(jié)果是為了使轉(zhuǎn)子1成為自由支撐體，實現(xiàn)自由偏轉(zhuǎn)。要獲得補償效果，使用金屬材料作為轉(zhuǎn)子1的材料，在定子3上加工撓性補償靜電電極7，通過靜電感應對轉(zhuǎn)子1施加靜電力。當轉(zhuǎn)子1處于平衡位置時，轉(zhuǎn)子1受到的撓性補償靜電電極7所施加的總靜電力為零，當轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置時，轉(zhuǎn)子1所受到的撓性補償靜電電極7所施加的總靜電力產(chǎn)生的力矩與撓性梁2由于變形產(chǎn)生的干擾力矩相抵消，達到補償效果。
如圖3所示，通過圖3中顯示的撓性梁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和圖5所示，轉(zhuǎn)子1是通過微細加工工藝，在第二基體11的內(nèi)部加工一個以轉(zhuǎn)子1中心為圓心的環(huán)形腔體12，環(huán)形腔體12生成后，在第二基體11中打孔，把金屬流體通過孔注入環(huán)形腔體12中，形成環(huán)形金屬流體腔體，再在第二基體11的上表面濺射一層Al2O3絕緣層9，并在絕緣層9的表面加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8。八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8在以轉(zhuǎn)子1中心為圓心的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8的電流相位差為90°。環(huán)形腔體12中的金屬流體受到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用而高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量，從而能夠響應外界角速度的變化。在轉(zhuǎn)子1的圓周方向上，環(huán)形腔體12的內(nèi)徑與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8的內(nèi)徑相同，環(huán)形腔體12的外徑與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8的外徑相同，以使得旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8對環(huán)形腔體12中的金屬流體具有最好的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動效果。
流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細加工(微細體加工和微細表面加工)工藝進行加工。轉(zhuǎn)子1的第二基體11材料為鎳，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈8的材料是銅。定子3的第一基體4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檢測電極5、反饋驅(qū)動線圈6和撓性補償靜電電極7，檢測電極5、反饋加矩線圈6與撓性補償靜電電極7都是以銅為材料，撓性梁2的材料為鎳。
權(quán)利要求
1.一種流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺，包括轉(zhuǎn)子(1)、撓性梁(2)、定子(3)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(1)與定子(3)通過撓性梁(2)連接為一體；轉(zhuǎn)子(1)包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)、絕緣層(9)、角動量層(10)，角動量層(10)又由第二基體(11)和環(huán)形腔體(12)構(gòu)成，絕緣層(9)設于角動量層(10)的上表面，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)設于絕緣層(9)的上表面，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)在以轉(zhuǎn)子(1)的中心為圓心的圓周方向上呈對稱分布，環(huán)形腔體(12)位于第二基體(11)內(nèi)；定子(3)包括第一基體(4)、檢測電極(5)、反饋加矩線圈(6)、撓性補償靜電電極(7)，在第一基體(4)的上表面的內(nèi)側(cè)分布著八個檢測電極(5)，第一基體(4)的上表面的外側(cè)分布著四個反饋加矩線圈(6)、八個撓性補償靜電電極(7)，八個檢測電極(5)在圓周方向上呈對稱分布，四個反饋加矩線圈(6)和四對撓性補償靜電電極(7)在圓周方向都呈對稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子(1)上的環(huán)形腔體(12)的內(nèi)徑與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)在以轉(zhuǎn)子(1)的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所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述的撓性梁(2)會隨著轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)相對位置的偏移而發(fā)生相應的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子(1)，其中環(huán)形腔體(12)中注有金屬流體，環(huán)形腔體(12)中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)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所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述的定子(3)，其中反饋加矩線圈(6)、撓性補償靜電電極(7)處于同一個以定子(3)中心為圓心的圓環(huán)上，反饋加矩線圈(6)、撓性補償靜電電極(7)的內(nèi)徑和外徑分別相同，兩個緊鄰的撓性補償靜電電極(7)形成撓性補償靜電電極對，反饋加矩線圈(6)與撓性補償靜電電極對彼此交替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述轉(zhuǎn)子(1)上的環(huán)形腔體(12)的外徑與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)在以轉(zhuǎn)子(1)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或2所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(8)的電流相位差為90°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，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。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述反饋加矩線圈(6)根據(jù)檢測電極(5)檢測到轉(zhuǎn)子(1)的偏離情況，通過在反饋加矩線圈(6)上施加電壓產(chǎn)生電磁力使轉(zhuǎn)子(1)恢復到平衡位置，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子(1)的反饋控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，其特征是，所述轉(zhuǎn)子(1)的基體材料為鎳。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)領域的流體與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動一體化撓性靜電補償式線圈加矩微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子、定子、撓性梁，轉(zhuǎn)子由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、絕緣層、角動量層構(gòu)成，而角動量層又由基體和注有金屬流體的環(huán)形腔體構(gòu)成。定子由基體、檢測電極、反饋加矩線圈及撓性補償靜電電極構(gòu)成。通過撓性梁把定子與轉(zhuǎn)子連為一體。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，通過撓性補償靜電電極消除撓性梁變形帶來的干擾力矩的影響。在轉(zhuǎn)子上加工旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈，有效減小由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場對轉(zhuǎn)子所造成的干擾，并使用反饋加矩線圈對轉(zhuǎn)子進行反饋控制，采用單定子結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01C19/12GK101055186SQ200710041469
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, 陳文元, 周海軍 申請人:上海交通大學