專利名稱：圓形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的微型加速度計(jì)，具體是一種圓形及多 環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度計(jì)。
技術(shù)背景慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式導(dǎo)航技術(shù)，根據(jù)牛頓慣性定律直接計(jì)算出載體的 位置、航向和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)。在工作過程中，既不向外界發(fā)射能量，也不從外 部獲取信息，具有不受干擾、可在任何地方使用、動(dòng)態(tài)性能好、導(dǎo)航輸出信息豐 富等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天和航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，MEMS (Micro-electromechanical Systems,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的出現(xiàn)促使慣性導(dǎo)航系 統(tǒng)向低成本、微型化、低功耗的方向發(fā)展。利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)制作的懸浮轉(zhuǎn)子微 陀螺無機(jī)械摩擦，既具有高精度的優(yōu)勢(shì)，又具有尺寸小、批量化、成本低的特點(diǎn)， 在現(xiàn)代及將來的軍事和民用裝備上具有廣泛的應(yīng)用前景，特別能滿足微小型平臺(tái) 的便攜式自主導(dǎo)航的需求。從20世紀(jì)90年代開始，懸浮轉(zhuǎn)子式微慣性器件引起工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛 關(guān)注，英、美、日等國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)已開展大量懸浮轉(zhuǎn)子微慣性器件的研究，并 取得了一定的研究成果。國(guó)內(nèi)也有單位開展這方面追蹤探索。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2002年英國(guó)南安普頓大學(xué)的R Houlihan和M Kraft在J. Micromech. Microeng.(微機(jī)械微工程雜志，2 0 0 2年1 2期第4 9 5 — 5 0 3頁，英國(guó)期干ll)發(fā)表文章Modelling of an accelerometer based on a levitated proof mass(基于懸浮檢測(cè)質(zhì)量的加速度計(jì)的建模)提出的盤形轉(zhuǎn)子 靜電懸浮微加速度計(jì)，這種類型的微加速度計(jì)由于需要利用靜電力來克服重力實(shí) 現(xiàn)懸浮，需要轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙很小時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)，因而對(duì)工藝要求很高， 另外它們都需要閉環(huán)反饋控制電路才能夠正常工作，轉(zhuǎn)子懸浮需要對(duì)多個(gè)自由度 進(jìn)行有效控制，轉(zhuǎn)子的起支及穩(wěn)定懸浮都需要復(fù)雜的電路控制，難度較大。這極大地限制了它的應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反 磁敏感質(zhì)量微加速度計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)反磁敏感質(zhì)量穩(wěn)定的懸浮，不需要復(fù)雜控制機(jī) 構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定，功耗小、實(shí)現(xiàn)方便，尺寸小。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明由上定子、轉(zhuǎn)子和下定子三部分 構(gòu)成，上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子兩個(gè)頂面相對(duì)，完成裝配，從 而形成空腔，轉(zhuǎn)子則懸浮在此空腔內(nèi)。在裝配時(shí)，上定子結(jié)構(gòu)中正對(duì)轉(zhuǎn)子的面均 稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面，同樣，下定子結(jié)構(gòu)中正對(duì)轉(zhuǎn)子的面亦 均稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面。所述下定子包括下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極、下定子公共電容極板、下定子 軸向檢測(cè)及反饋控制電極、下定子基體、下定子圓柱形永磁體、多個(gè)下定子環(huán)形 永磁體；下定子圓柱形磁體外形是圓柱形的且軸向充磁，多個(gè)下定子環(huán)形永磁體 外形是環(huán)形的；在下定子基體的頂面上由內(nèi)而外依次分布著下定子公共電容極板、 下定子軸向檢測(cè)及反饋電極、下定子側(cè)向軸向檢測(cè)及反饋電極，下定子側(cè)向檢測(cè) 及反饋電極分布在下定子基體的頂面的最外圍，且沿圓周分布；在下定子基體的 底面，下定子圓柱形永磁體位于下定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置，而其它的 環(huán)形永磁體則以下定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置為圓心從內(nèi)向外依次布置， 相鄰兩個(gè)環(huán)形永磁體緊密嵌套配合，圓柱形永磁體緊密嵌套在圓環(huán)內(nèi)半徑最小的 環(huán)形永磁體中，圓柱形永磁體是沿軸向充磁的，相鄰兩個(gè)永磁體依次為軸向充磁 和徑向充磁，相隔兩個(gè)永磁體(即兩個(gè)永磁體之間只隔了一個(gè)永磁體)的充磁的 方向相反，所述的軸向充磁是指圓柱形及環(huán)形永磁體的磁極方向是沿著圓柱形或 環(huán)形的幾何中軸線(也是旋轉(zhuǎn)軸線)方向，所述的徑向充磁是指沿著環(huán)形永磁體 的半徑方向充磁的。所述上定子包括上定子基體、定子公共電容極板和上定子軸向檢測(cè)及反饋電 極、上定子圓柱形永磁體、多個(gè)上定子環(huán)形永磁體；上定子圓柱形磁體外形是圓 柱形的且軸向充磁，多個(gè)上定子環(huán)形永磁體外形是環(huán)形的；在上定子基體的底面， 上定子圓柱形永磁體位于上定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置，而其它的環(huán)形永磁體則以上定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置為圓心從內(nèi)向外依次布置，相鄰兩 個(gè)環(huán)形永磁體緊密嵌套配合，圓柱形永磁體緊密嵌套在圓環(huán)內(nèi)半徑最小的環(huán)形永 磁體中，圓柱形永磁體是沿軸向充磁的，相鄰兩個(gè)永磁體依次為軸向充磁和徑向 充磁，相隔兩個(gè)永磁體(即兩個(gè)永磁體之間只隔了一個(gè)永磁體)的充磁的方向相 反，所述的軸向充磁是指圓柱形及環(huán)形永磁體的磁極方向是沿著圓柱形或環(huán)形的 幾何中軸線(也是旋轉(zhuǎn)軸線)方向，所述的徑向充磁是指沿著環(huán)形永磁體的半徑 方向充磁的。上定子公共電容極板和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極的連接關(guān)系為在 上定子基體的頂面上由內(nèi)而外依次分布著上定子公共電容極板和上定子軸向檢測(cè) 及反饋電極。所述轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓盤形結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子上表面層(材料為Cr/Au或Cr/Cu)、轉(zhuǎn) 子中間反磁結(jié)構(gòu)層，轉(zhuǎn)子下表面層(材料為Cr/Au或Cr/Cu)。在轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu) 層的上、下表面分別覆蓋著轉(zhuǎn)子上表面層和轉(zhuǎn)子下表面層。本發(fā)明中，上定子圓柱形永磁體與下定子圓柱形永磁體、上定子環(huán)形永磁體 與下定子環(huán)形永磁體從內(nèi)向外的尺寸要相同，即上定子圓形永磁體的直徑和高度 與下定子圓形永磁體的直徑和高度相等，對(duì)于上下定子而言，從圓形永磁體開始， 從內(nèi)向外的環(huán)形永磁體依次稱為第一環(huán)形永磁體、第二環(huán)形永磁體，以此類推， 則上定子的第一環(huán)形永磁體的直徑和高度應(yīng)與下定子的第一環(huán)形永磁體的環(huán)內(nèi)直 徑、環(huán)外直徑和高度相等，上定子的第二環(huán)形永磁體的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高 度應(yīng)與下定子的第二環(huán)形永磁體的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高度相等，依次類推。當(dāng)上定子倒扣在下定子上時(shí)，上定子基體的頂面與下定子基體的頂面需面對(duì) 面相對(duì)布置，同時(shí)需使得上定子和下定子相應(yīng)的軸向充磁的永磁體相對(duì)面在豎直 方向形成N-N或者S-S—一對(duì)應(yīng)的磁極極性關(guān)系，而上定子和下定子相應(yīng)的徑向充 磁的永磁體的徑向充磁的磁極極性方向要相同；上定子基體的頂面分布有上定子 檢測(cè)及反饋控制電容極，下定子基體的頂面分布有下定子檢測(cè)及反饋控制電容極 板組，在下定子基體的頂面最外圈圓周上分布有下定子側(cè)向靜電電極對(duì)。本發(fā)明的典型技術(shù)特征是在轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層的上、下表面分別覆蓋著材 料為Cr/Au或Cr/Cu的轉(zhuǎn)子上表面層和轉(zhuǎn)子下表面層；下定子圓柱形永磁體為軸向 充磁，下定子環(huán)形永磁體為多個(gè)，分別為軸向充磁或徑向充磁，最靠近下定子圓柱形永磁體的下定子環(huán)形永磁體為徑向充磁，從內(nèi)向外，相鄰的下定子環(huán)形永磁 體充磁方向分別為軸向充磁或徑向充磁，但不能同為徑向充磁或同為軸向充磁； 上定子圓柱形永磁體為軸向充磁，上定子環(huán)形永磁體為多個(gè)，分別為軸向充磁或 徑向充磁，最靠近上定子圓柱形永磁體的上定子環(huán)形永磁體為徑向充磁，從內(nèi)向 外，相鄰的上定子環(huán)形永磁體充磁方向分別為軸向充磁或徑向充磁，但不能同為 徑向充磁或同為軸向充磁；下定子公共電容極板是圓形的，下定子軸向檢測(cè)及反 饋電極有多個(gè)，圍繞下定子公共電容極板呈圓周布置，下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電 極也呈圓周布置，位于下定子軸向檢測(cè)及反饋電極之外；上定子公共電容極板是 圓形的，上定子上定子軸向檢測(cè)及反饋電極有多個(gè)，圍繞上定子公共電容極板， 呈圓周布置。穩(wěn)定懸浮是懸浮式加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足， 采用軸向和徑向充磁的圓柱形永磁體和多環(huán)形永磁體布置，非常易于加工和充磁， 且容易形成所需要的靜態(tài)磁場(chǎng)梯度和分布，且理論上能形成圓周方向上無變化靜 態(tài)磁場(chǎng)，這樣在任意水平徑向方向上，由于磁場(chǎng)分布是一樣的，因此對(duì)加速度的 敏感也是一樣，方便了水平方向加速度的測(cè)量，上下定子中的環(huán)形永磁體既可以 徑向充磁也可以軸向充磁，它們與軸向充磁的圓柱形永磁體一起，也可形成反磁 物質(zhì)穩(wěn)定懸浮所需的靜態(tài)磁場(chǎng)，提供了反磁物質(zhì)懸浮的新思路，是一種磁體布置 及充磁設(shè)計(jì)的有益思路和方案，同時(shí)，這樣設(shè)置有反磁物質(zhì)的轉(zhuǎn)子在此靜態(tài)磁場(chǎng) 中非常容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支撐懸浮，方便得實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮支承這一懸浮轉(zhuǎn)子加速度 計(jì)要正常工作的技術(shù)要件。本發(fā)明上下定子的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁體對(duì)反磁轉(zhuǎn)子提供懸浮 力和側(cè)向穩(wěn)定力，實(shí)現(xiàn)無控制自穩(wěn)起支懸浮，同時(shí)又利用上、下定子的軸向檢測(cè) 及反饋電極和下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極與轉(zhuǎn)子之間靜電力來提高微加速度計(jì)的 軸向剛度、側(cè)向剛度和抗沖擊能力，增強(qiáng)穩(wěn)定懸浮性能。本發(fā)明在施加靜電電壓 之前，轉(zhuǎn)子因反磁作用己懸浮在平衡位置，所以相比一般的靜電懸浮微加速度計(jì)， 降低了轉(zhuǎn)子的起支過程和起支控制難度。并且本發(fā)明可以同時(shí)檢測(cè)包括沿X、 Y、 Z 軸的三軸線加速度以及繞X、 Y軸二軸角加速度。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)頂面示意3為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)底面示意4為本發(fā)明上定子結(jié)構(gòu)頂面示意5為本發(fā)明上定子結(jié)構(gòu)底面示意6為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意7為本發(fā)明下定子永磁體結(jié)構(gòu)示意8為本發(fā)明上定子永磁體結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例采用的是三層結(jié)構(gòu)，由上定子1、轉(zhuǎn)子3和下定子2 三部分構(gòu)成，上定子1倒扣在下定子2上，使上定子1和下定子2兩個(gè)頂面相對(duì)， 完成裝配，從而形成空腔，轉(zhuǎn)子3則懸浮在此空腔內(nèi)。在裝配時(shí)，上定子1結(jié)構(gòu) 中正對(duì)轉(zhuǎn)子3的面均稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面，同樣，下定子2 結(jié)構(gòu)中正對(duì)轉(zhuǎn)子3的面亦均稱之為頂面，相應(yīng)的另一面則稱之為底面。如圖2、圖3、圖7所示，所述下定子2包括下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6 (本實(shí) 施例中為四組，每組包括兩塊極板)、下定子公共電容極板4、下定子軸向檢測(cè)及 反饋控制電極5 (本實(shí)施例中為四組，每組包括兩塊極板)、下定子基體7、下定子 圓柱形永磁體8、多個(gè)下定子環(huán)形永磁體9;在下定子基體7的頂面上由內(nèi)而外依次 分布著下定子公共電容極板4、下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5、下定子側(cè)向檢測(cè)及 反饋電極6，下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6分布在下定子基體的頂面的最外圍，且 沿圓周分布，下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5也沿圓周分布；在下定子基體7的底面， 下定子圓柱形永磁體8位于下定子基體7表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置，而其它的下定 子環(huán)形永磁體9則以下定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置為圓心從內(nèi)向外依次布 置，下定子2相鄰的兩個(gè)環(huán)形永磁體緊密嵌套配合，下定子圓柱形永磁體8緊密嵌 套在圓環(huán)內(nèi)半徑最小的環(huán)形永磁體中，下定子圓柱形永磁體8是沿軸向充磁的，下定子2相鄰(緊靠)的兩個(gè)永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，下定子2相隔的兩 個(gè)永磁體(即兩個(gè)永磁體之間只隔了一個(gè)永磁體)的充磁的方向相反，所述的軸 向充磁是指圓柱形及環(huán)形永磁體的磁極方向是沿著圓柱形或環(huán)形的幾何中軸線 (也是旋轉(zhuǎn)軸線)方向，所述的徑向充磁是指沿著環(huán)形永磁體的半徑方向充磁的。 如圖4、圖5、圖8所示，所述上定子1包括上定子基體12、定子公共電容極板 lO和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極ll (本實(shí)施例中為四組，每組包括兩塊極板)、上 定子圓柱形永磁體14、上定子環(huán)形永磁體13;在上定子基體12的底面，上定子圓 柱形永磁體14位于上定子基體12表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置，而其它的上定子環(huán)形 永磁體13則以上定子基體12表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置為圓心從內(nèi)向外依次布置， 上定子l相鄰的兩個(gè)環(huán)形永磁體緊密嵌套配合，上定子圓柱形永磁體14緊密嵌套在 圓環(huán)內(nèi)半徑最小的環(huán)形永磁體中，上定子圓柱形永磁體14是沿軸向充磁的，上定 子l相鄰的兩個(gè)永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，上定子l相隔(緊靠)的兩個(gè) 永磁體(即兩個(gè)永磁體之間只隔了一個(gè)永磁體)的充磁的方向相反，所述的軸向 充磁是指圓柱形及環(huán)形永磁體的磁極方向是沿著圓柱形或環(huán)形的幾何中軸線(也 是旋轉(zhuǎn)軸線)方向，所述的徑向充磁是指沿著環(huán)形永磁體的半徑方向充磁的。上 定子公共電容極板10和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極11的連接關(guān)系為在上定子基體 12的頂面上由內(nèi)而外依次分布著上定子公共電容極板10和上定子軸向檢測(cè)及反饋 電極ll。所述轉(zhuǎn)子3是一個(gè)圓盤形結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子上表面層15 (材料為Cr/Au或Cr/Cu)、 轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層16，轉(zhuǎn)子下表面層17 (材料為Cr/Au或Cr/Cu)。在轉(zhuǎn)子中間反 磁結(jié)構(gòu)層16的上、下表面分別覆蓋著轉(zhuǎn)子上表面層15和轉(zhuǎn)子下表面層17。轉(zhuǎn)子3的 圓周邊緣與下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極11的外圓 弧邊緣在豎直方向上對(duì)齊。上定子1的上定子圓形永磁體14和下定子2的下定子圓形永磁體8的外形尺寸 相同，上定子1和下定子2從內(nèi)向外相應(yīng)的環(huán)形永磁體的外形尺寸要相同，即下定 子圓形永磁體8的直徑和高度與上定子圓形永磁體14的直徑和高度相等，對(duì)于上定 子1而言，從上定子圓形永磁體14開始，從內(nèi)向外的環(huán)形永磁體依次稱為上定子第 一環(huán)形永磁體、上定子第二環(huán)形永磁體，以此類推，對(duì)于下定子2而言，從下定子圓形永磁體14開始，從內(nèi)向外的環(huán)形永磁體依次稱為下定子第一環(huán)形永磁體、下 定子第二環(huán)形永磁體，以此類推，則上定子第一環(huán)形永磁體的直徑和高度應(yīng)與下 定子第一環(huán)形永磁體的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高度相等，上定子第二環(huán)形永磁體 的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑和高度應(yīng)與下定子第二環(huán)形永磁體的環(huán)內(nèi)直徑、環(huán)外直徑 和高度相等，依次類推。當(dāng)上定子1倒扣在下定子2上時(shí)，上定子基體12的頂面與下定子基體7的頂面需 面對(duì)面相對(duì)布置，同時(shí)需使得上定子1和下定子2相應(yīng)的軸向充磁的永磁體相對(duì)面 在豎直方向形成N-N或者S-S—一對(duì)應(yīng)的磁極極性關(guān)系，而上定子1和下定子2相應(yīng) 的徑向充磁的永磁體的徑向充磁的方向要相同，即上定子圓柱形永磁體14和下定 子圓柱形永磁體8為軸向充磁且磁極極性相反，上定子第一環(huán)形永磁體與下定子第 一環(huán)形永磁體為徑向充磁且充磁方向相同，上定子第二環(huán)形永磁體與下定子第二 環(huán)形永磁體為軸向充磁且磁極極性相反，上定子第三環(huán)形永磁體與下定子第三環(huán) 形永磁體為徑向充磁且充磁方向相同，以此類推。如圖2-8，本實(shí)施例工作時(shí)，包括以下三個(gè)方面(1) 當(dāng)用于檢測(cè)豎直方向z軸輸入的加速度信號(hào)時(shí)，給上定子軸向檢測(cè)及反 饋電極11和下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5施加同頻率、幅值大小相等、相位差180 度的高頻交流載波，通過上定子公共電容極板10和下定子公共電容極板4輸出差分 電容信號(hào)，經(jīng)電路后處理可以檢測(cè)出輸入的z軸加速度，同時(shí)通過給上定子軸向檢 測(cè)及反饋電極板組11和下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5施加幅值相等、極性相反的直 流反饋電壓把轉(zhuǎn)子3拉回到平衡位置；(2) 當(dāng)用于檢測(cè)水平方向x軸輸入的加速度信號(hào)時(shí)，給左上一組下定子側(cè)向 檢測(cè)及反饋電極6的兩塊電容極板和左下一組下定子檢測(cè)及反饋電極板6的兩塊電 容極板，分別施加同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波，通過上 定子公共電容極板10和下定子公共電容極板4輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)電路后處理可 以檢測(cè)出輸入的x軸加速度，同時(shí)左上一組下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6的兩塊電 容極板和左下一組下定子檢測(cè)及反饋電極板6的兩塊電容極板，施加幅值相等、極 性相反的直流反饋電壓把轉(zhuǎn)子3拉回到平衡位置；(3) 當(dāng)用于檢測(cè)豎直方向y軸輸入的加速度信號(hào)時(shí)，給右上一組下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6的兩塊電容極板和右下一組下定子檢測(cè)及反饋電極板6的兩塊電 容極板，分別施加同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波，通過上 定子公共電容極板10和下定子公共電容極板4輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)電路后處理可 以檢測(cè)出輸入的y軸加速度，同時(shí)右上一組下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6的兩塊電 容極板和右下一組下定子檢測(cè)及反饋電極板6的兩塊電容極板，施加幅值相等、極 性相反的直流反饋電壓把轉(zhuǎn)子3拉回到平衡位置；本發(fā)明工作過程如下由于上定子1和下定子2的底面均粘附有永磁片，而轉(zhuǎn) 子3本身是反磁體，轉(zhuǎn)子3與上定子1和下定子2之間就會(huì)形成相互作用力即抗磁力 為懸浮反磁轉(zhuǎn)子提供了Z向(軸向)懸浮力，同時(shí)也為轉(zhuǎn)子3提供沿X、 Y軸方向的 側(cè)向穩(wěn)定力，進(jìn)而轉(zhuǎn)子3實(shí)現(xiàn)了在上定子1和下定子2間的自穩(wěn)定起支懸??；同時(shí)， 通過給下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極11施加電壓，下 定子2與轉(zhuǎn)子3、上定子1和轉(zhuǎn)子3之間產(chǎn)生的靜電力，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子3的軸向剛度；通 過在定子外圍分布的下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6上施加反饋控制電壓，下定子側(cè) 向靜電電極6與轉(zhuǎn)子3產(chǎn)生靜電力，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子3的側(cè)向剛度。在上定子軸向檢測(cè)及 反饋電極ll、下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5、下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極6上施加 載波，當(dāng)存在軸向和側(cè)向偏離的時(shí)候，通過對(duì)上定子公共電容極板10和下定子公 共電容極板4上感生出的信號(hào)進(jìn)行拾取、放大、調(diào)制解調(diào)等處理，并進(jìn)行判斷，在 相應(yīng)電容極板組或側(cè)向靜電電極上施加直流電壓，產(chǎn)生的靜電力將微轉(zhuǎn)子拉回到 平衡位置。這樣可以提高處于反磁懸浮狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的軸向和側(cè)向剛度，提高微加 速度計(jì)的抗沖擊能力，保障轉(zhuǎn)子3在上定子1和下定子2間更穩(wěn)定懸浮。同時(shí)，由于 在施加靜電電壓之前，轉(zhuǎn)子3由于反磁作用已懸浮在平衡位置，相比一般的靜電懸 浮微加速度計(jì)，降低了轉(zhuǎn)子3的起支過程和起支控制難度。本發(fā)明的工藝采用微細(xì)加工技術(shù)(MEMS工藝)與精密加工相結(jié)合，具體是上 定子I上的上定子公共電容極板IO、上定子軸向檢測(cè)及反饋電極ll，以及下定子 2上的下定子公共電容極板4、下定子軸向檢測(cè)及反饋電極5、下定子側(cè)向檢測(cè)及 反饋電極6采用微細(xì)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)；電容極板和側(cè)向靜電電極材料一般采用導(dǎo)電 性能較好的是銅，工藝一般采用光刻電鍍的微細(xì)加工技術(shù)；下定子圓柱形永磁塊 及環(huán)形永磁體和上定子圓柱形永磁體及環(huán)形永磁體可采用鈷鎳錳磷(CoNiMnP)、釹鐵硼(NdFeB)，通過精密加工或者微加工成型，并充磁得到；轉(zhuǎn)子3則是先在 基片即轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層的兩表面濺射Cr/Cu或Cr/Au，然后經(jīng)微細(xì)電火花加工 得到，基片采用的是反磁材料，如熱解石墨。
權(quán)利要求
1.一種圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度計(jì)，由上定子(1)、轉(zhuǎn)子(3)和下定子(2)構(gòu)成，上定子(1)倒扣在下定子(2)上，轉(zhuǎn)子(3)則懸浮在上定子(1)和下定子(2)形成的空腔內(nèi)，其特征在于所述下定子(2)包括下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極(6)、下定子公共電容極板(4)、下定子軸向檢測(cè)及反饋控制電極(5)、下定子基體(7)、下定子圓柱形永磁體(8)、多個(gè)下定子環(huán)形永磁體(9)，在下定子基體(7)的頂面上由內(nèi)而外依次分布著下定子公共電容極板(4)、下定子軸向檢測(cè)及反饋電極(5)、下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極(6)；在下定子基體(7)的底面，下定子圓柱形永磁體(8)位于下定子基體(7)表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置，而多個(gè)下定子環(huán)形永磁體(9)則以下定子基體表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置為圓心從內(nèi)向外依次布置，下定子(2)相鄰的兩個(gè)環(huán)形永磁體緊密嵌套配合，下定子圓柱形永磁體(8)緊密嵌套在圓環(huán)內(nèi)半徑最小的環(huán)形永磁體中，下定子圓柱形永磁體(8)是沿軸向充磁的，下定子(2)相鄰的兩個(gè)永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，相隔兩個(gè)永磁體的充磁的方向相異；所述上定子(1)包括上定子基體(12)、上定子公共電容極板(10)和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極(11)、上定子圓柱形永磁體(14)、上定子環(huán)形永磁體(13)，在上定子基體(12)的底面，上定子圓柱形永磁體(14)位于上定子基體(12)表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置，而多個(gè)上定子環(huán)形永磁體(13)則以上定子基體(12)表面幾何結(jié)構(gòu)的中線位置為圓心從內(nèi)向外依次布置，上定子(1)相鄰的兩個(gè)環(huán)形永磁體緊密嵌套配合，上定子圓柱形永磁體(14)緊密嵌套在圓環(huán)內(nèi)半徑最小的環(huán)形永磁體中，上定子(14)圓柱形永磁體是沿軸向充磁的，上定子(14)相鄰的兩個(gè)永磁體依次為軸向充磁和徑向充磁，相隔的兩個(gè)永磁體的磁極性的方向相異，在上定子基體(12)的頂面上由內(nèi)而外依次分布著上定子公共電容極板(10)和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極(11)；所述轉(zhuǎn)子(3)的圓周邊緣與下定子軸向檢測(cè)及反饋電極(5)和上定子軸向檢測(cè)及反饋電極(11)的外圓弧邊緣在豎直方向上對(duì)齊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度計(jì)，其特征是，所述上定子(1)的上定子圓形永磁體(14)和下定子 (2)的下定子圓形永磁體(8)的外形尺寸相同，上定子(1)和下定子(2)從 內(nèi)向外相應(yīng)的環(huán)形永磁體的外形尺寸相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微 加速度計(jì)，其特征是，所述上定子基體(12)的頂面與下定子基體(7)的頂面 面對(duì)面相對(duì)布置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微 加速度計(jì)，其特征是，所述上定子(1)和下定子(2)相應(yīng)的軸向充磁的永磁體 相對(duì)面在豎直方向形成N-N或者S-S—一對(duì)應(yīng)的磁極極性關(guān)系，而上定子(1)和 下定子(2)相應(yīng)的徑向充磁的永磁體的徑向充磁的方向相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微 加速度計(jì)，其特征是，所述下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極(6)分布在下定子基體 的頂面的最外圍，且沿圓周分布，下定子軸向檢測(cè)及反饋電極(5)也沿圓周分 布。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微 加速度計(jì)，其特征是，所述所述轉(zhuǎn)子(3)是一個(gè)圓盤形結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子上表面 層(15)、轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層(16)、轉(zhuǎn)子下表面層(17)，在轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié) 構(gòu)層(16)的上、下表面分別覆蓋著轉(zhuǎn)子上表面層(15)和轉(zhuǎn)子下表面層(17)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓形及多環(huán)形軸向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度 計(jì)，其特征是，所述轉(zhuǎn)子上表面層(15)的材料為Cr/Au或Cr/Cu。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓形及多環(huán)形軸向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度 計(jì)，其特征是，所述轉(zhuǎn)子中間反磁結(jié)構(gòu)層(16)的材料為反磁材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓形及多環(huán)形軸向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度 計(jì)，其特征是，所述轉(zhuǎn)子下表面層(17)材料為Cr/Au或Cr/Cu。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的圓柱形及多環(huán)形軸向徑向充磁永磁反磁敏感質(zhì)量微加速度計(jì)，由上定子、轉(zhuǎn)子和下定子構(gòu)成，依靠上、下定子中的圓柱形及多環(huán)形軸向及徑向充磁永磁體對(duì)反磁轉(zhuǎn)子提供懸浮力和側(cè)向穩(wěn)定力，實(shí)現(xiàn)無控制自穩(wěn)起支懸浮，同時(shí)又利用上、下定子的軸向檢測(cè)及反饋電極和下定子側(cè)向檢測(cè)及反饋電極與轉(zhuǎn)子之間靜電力來提高微加速度計(jì)的軸向剛度、側(cè)向剛度和抗沖擊能力，增強(qiáng)穩(wěn)定懸浮性能，降低了轉(zhuǎn)子的起支過程和起支控制難度，不需要復(fù)雜控制機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定，功耗小、實(shí)現(xiàn)方便，尺寸小，可以同時(shí)檢測(cè)包括沿X、Y、Z軸的三軸線加速度以及繞X、Y軸二軸角加速度。
文檔編號(hào)G01P15/14GK101216500SQ20081003247
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月10日
發(fā)明者武 劉, 張衛(wèi)平, 張忠榕, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)