利用电磁和电晕工作的悬浮转子微陀螺.pdf

本发明涉及一种利用电磁和电晕作用工作的悬浮转子微陀螺，由上下定子、微转子、周边结构、齿形结构构成一个笼式结构。定子包括公共电极、轴向悬浮检测电极、第一个悬浮稳定线圈、第二个悬浮稳定线圈，定子固联在衬底上。微转子在电磁力的作用下悬浮在定子之间，微转子成圆环形，内侧均布齿形结构，作为齿形电极；外侧均布置有周围结构，周围结构主要作为径向悬浮检测电极。本发明结构简单，提出电磁悬浮电晕驱动旋转结构，实现转子恒高速转动，加大旋转力矩。通过轴向设置内外两层悬浮稳定线圈，实现转子自稳悬浮，轴向和径向悬浮检测电极进一步增强悬浮刚度及实现位置检测。具有尺寸小，重量轻，成本低，精度高，低功耗的特点。

1、  一种电磁悬浮电晕驱动微转动陀螺，包括：上定子、下定子、周边结构、微转子，齿形结构，上定子、下定子上下设置，其特征在于：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，微转子置于这个笼式结构的中间，齿形结构均布在环形转子的内侧，且齿形结构和微转子之间有间隔，齿形结构设置在下基体上，上定子包括上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈、上定子第二个悬浮稳定线圈外圈、上定子轴向悬浮检测电极和上定子公共电极，上定子从内到外，依次是上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈，上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈、上定子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；上定子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圆心为圆心的圆周上，且彼此间隔相等，上定子公共电极是一个连续的导电圆环，上定子第一个悬浮稳定线圈内圈的内径小于微转子的内径，上定子第一个悬浮稳定线圈外圈的外径大于微转子的内径，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈的内径小于微转子的外径，上定子第二个悬浮稳定线圈外圈的外径大于微转子的外径，上定子和下定子的结构相同，在空间上是垂直相向对应的。

2、  根据权利要求1所述的利用电磁悬浮电晕驱动旋转工作的微陀螺，其特征是，微转子是圆环结构，分别包括转子表面结构和转子的支撑结构，转子表面结构位于支撑结构的内侧。

3、  根据权利要求2所述的利用电磁悬浮电晕驱动旋转工作的微陀螺，其特征是，转子的支撑结构采用转子表面结构采用PMMA材料。

4、  根据权利要求1所述的利用电磁悬浮电晕驱动旋转工作的微陀螺，其特征是，齿形结构用Ni金属。

5、  根据权利要求1所述的利用电磁悬浮电晕驱动旋转工作的微陀螺，其特征是，周边结构是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，这八个径向电极板均匀的分布在以平衡位置时环形转子中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。

利用电磁和电晕工作的悬浮转子微陀螺
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晕作用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：200410018474.5，名称为：静电悬浮转子微惯性传感器及其制造方法。该陀螺提出了静电悬浮转子结构和静电驱动旋转结构。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，旋转是基于可变电容静电微马达的原理工作的，控制复杂，需要转速检测。该发明中提出的静电悬浮转子微陀螺，其不足之处是：采用静电悬浮方式，不能自稳控制，需要复杂的多路解耦控制，且旋转驱动采用变电容方法，需要复杂控制。
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晕驱动旋转工作的悬浮转子微陀螺，能自稳控制，且有径向稳定电极。利用电晕作用使转子恒高速转动，转子内侧只需要设置齿形电极，因而可做成圆环状，结构简单，不需转速检测即可实现恒高速旋转，力矩大，也方便了加工；通过设置双重悬浮稳定线圈实现自稳悬浮；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和控制复杂的不足。
本发明通过以下技术方案来实现的，本发明包括：上定子、下定子、周边结构、微转子，齿形结构，上定子、下定子上下设置，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，微转子置于这个笼式结构的中间，齿形结构均布在环形转子的内侧，且齿形结构和微转子之间有间隔，齿形结构设置在下基体上，上定子包括上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈、上定子第二个悬浮稳定线圈外圈、上定子轴向悬浮检测电极和上定子公共电极，上定子从内到外，依次是上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈，上定子第一个悬浮稳定线圈内圈、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈、上定子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；上定子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圆心为圆心的圆周上，且彼此间隔相等；上定子公共电极是一个连续的导电圆环，上定子第一个悬浮稳定线圈内圈的内径小于微转子的内径，上定子第一个悬浮稳定线圈外圈的外径大于微转子的内径，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈的内径小于微转子的外径，上定子第二个悬浮稳定线圈外圈的外径大于微转子的外径，上定子和下定子的结构相同，在空间上是垂直相向对应的。
微转子是圆环结构，分别包括转子表面结构和转子的支撑结构，转子表面结构位于支撑结构的内侧。
转子的支撑结构采用转子表面结构采用PMMA材料，而齿形结构用Ni金属。
周边结构是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，这八个径向电极板均匀的分布在以平衡位置时环形转子中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。
本发明不仅具有能够自稳的设置：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和环形转子，而且具有轴向和径向两个悬浮设置，多个悬浮设置可以相互补充，提高陀螺整体悬浮刚度和效果。
本发明转子悬浮：第一个悬浮线圈外圈、第一个悬浮线圈内圈、第二个悬浮线圈外圈、第二个悬浮线圈内圈与转子构成一个稳定悬浮系统。通过在四个线圈上同时施加特定的交流电产生出磁场，与环形转子交互作用，才能实现自稳悬浮。具体为：在第一个悬浮稳定线圈内圈上加交流电，在第一个悬浮稳定线圈外圈上加相同频率、幅值相等、相位相差180度的交流电；在第二个悬浮稳定线圈内圈上施加交流电，在第二个悬浮稳定线圈内圈上加相同频率，幅值相等，相位相差180度的交流电，即实现转子稳定悬浮。根据电磁场效应，在微转子上感应出的电磁力使得微转子得以悬浮。通过设置径向悬浮检测电极进一步增强了环形转子的径向悬浮刚度，通过设置轴向悬浮检测电极进一步增强环形微转子轴向悬浮刚度，当转子发生径向偏移时，在径向电极对上施加电压实现悬浮。
本发明转子旋转：在齿形电极上施加直流电，在齿形电极的尖端会产生电晕放电现象，这时齿形电极和环形转子之间形成一个高强的不均匀电场，齿形电极和转子之间的空气被电离，转子表面结构被不断的充电。齿形电极和转子由于库伦排斥力的作用相互影响，从而带动转子高速旋转。本陀螺的旋转不需要转速检测即可实现恒高速旋转。
本发明位置检测：径向位置是通过提取径向检测电极和转子之间的电容值来实现的。轴向位置检测是通过提取上下定子轴向检测电极与转子之间的电容值来实现的。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：利用电磁悬浮电晕驱动的微陀螺结构能够自稳悬浮，可大大提高微转子的旋转扭矩，进而提高微转子的转速，从而提高陀螺的测量精度。
附图说明
图1本发明总体结构示意图
图2本发明上定子结构示意图
图3本发明周边结构和齿形结构示意图
图4本发明转子结构示意图
图5本发明下定子结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。
如图1、2所示，本实施例包括：上定子1、下定子4、周边结构2、微转子3，齿形结构26，上定子1、下定子4上下设置，上定子1、上定子4和周边结构2相连构成一个笼式结构，周边结构2设置在微转子3周围，微转子3置于这个笼式结构的中间，齿形结构26均布在环形转子3的内侧，且齿形结构6)和微转子3之间有间隔，齿形结构26设置在下基体上，上定子包括上定子第一个悬浮稳定线圈内圈8、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈7、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈6、上定子第二个悬浮稳定线圈外圈5、上定子轴向悬浮检测电极和上定子公共电极9，上定子从内到外，依次是上定子第一个悬浮稳定线圈内圈8、上定子第一个悬浮稳定线圈内圈7、上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极9、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈6、上定子第二个悬浮稳定线圈内圈5，上定子第一个悬浮稳定线圈内圈8、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈7，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈6、上定子第二个悬浮稳定线圈外圈5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，上定子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圆心为圆心的圆周上，且彼此间隔相等，上定子轴向悬浮检测电极包括：上定子第一悬浮检测电极10、上定子轴向第二悬浮检测电极11、上定子轴向第三悬浮检测电极12、上定子轴向第四悬浮检测电极13、上定子轴向第五悬浮检测电极14、上定子轴向第六悬浮检测电极15、上定子轴向第七悬浮检测电极16、上定子轴向第八悬浮检测电极17；上定子公共电极9是一个连续的导电圆环；上定子1第一个悬浮稳定线圈内圈32的内径小于微转子的内径，上定子第一个悬浮稳定线圈外圈31的外径大于微转子3的内径，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈30的内径小于微转子3的外径，上定子第二个悬浮稳定线圈外圈29的外径大于微转子3的外径，上定子1和下定子4的结构相同，在空间上是垂直相向对应的。
如图5所示，下定子4是由下定子第一个悬浮稳定线圈内圈32、下定子第一个悬浮稳定线圈外圈31，下定子第二个悬浮稳定线圈内圈30、下定子第二个悬浮稳定线圈外圈29，下定子第一悬浮检测电极34、下定子轴向第二悬浮检测电极35、下定子轴向第三悬浮检测电极36、下定子轴向第四悬浮检测电极37、下定子轴向第五悬浮检测电极38、下定子轴向第六悬浮检测电极39、下定子轴向第七悬浮检测电极40、下定子轴向第八悬浮检测电极41和下定子公共电极33构成。他们的连接关系为，下定子4从内到外，依次是：下定子第一个悬浮稳定线圈内圈32、下定子第一个悬浮稳定线圈内圈31、下定子轴向悬浮检测电极、下定子公共电极33、下定子第二个悬浮稳定线圈内圈30、下定子第二个悬浮稳定线圈内圈29。下定子第一个悬浮稳定线圈内圈32、下定子第一个悬浮稳定线圈外圈31，下定子第二个悬浮稳定线圈内圈30、下定子第二个悬浮稳定线圈外圈5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，均在以下定子中心为圆心的圆上；下定子轴向悬浮检测电极的每一个都成扇形，均匀的分布在以下定子圆心为圆心的圆周上，且彼此间隔相等；下定子公共电极9是一个连续的导电圆环；下定子第一个悬浮稳定线圈内圈32的内径小于微转子的内径，下定子第一个悬浮稳定线圈外圈31的外径大于微转子3的内径；下定子第二个悬浮稳定线圈内圈30的内径小于微转子3的外径，下定子第二个悬浮稳定线圈外圈29的外径大于微转子3的外径。
假设参考坐标系如下：x轴平行于以上定子第二轴向悬浮稳定电极11和上定子第三轴向悬浮稳定电极12的中线，y轴平行于以上定子第四轴向悬浮稳定电极13和上定子第五轴向悬浮稳定电极14的中线，z轴垂直于x和y轴，原点是当环形转子位于平衡位置时的几何中心点。
上定子1结构和下定子4结构在空间上是垂直对应的，即上定子1结构沿z轴在下定子4上的投影是重合的。具体为：上定子第一个悬浮稳定线圈外圈7沿z轴在下定子4上的投影与下定子第一个悬浮稳定线圈外圈31是重合的，上定子第一个悬浮稳定线圈内圈8沿z轴在下定子上的投影与下定子第一个悬浮稳定线圈内圈32是重合的。依次类推，上定子1其他结构沿z轴在下定子4上的投影与下定子4其他结构是重合的。
如图3所示，微转子3是圆环结构，分别包括转子表面结构27和转子的支撑结构28，转子表面结构27位于支撑结构28的内侧。微转子3支撑结构采用转子表面结构27采用PMMA材料，而齿形结构26用Ni金属，支撑结构28采用金属材料制成。
如图4所示，周边结构2是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，这八个径向电极板均匀的分布在以平衡位置时环形转子3中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。八个径向悬浮检测电极为：径向第一悬浮检测电极18、径向第二悬浮检测电极19、径向第三悬浮检测电极20、径向第四悬浮检测电极21、径向第五悬浮检测电极22、径向第六悬浮检测电极23、径向第七悬浮检测电极24、径向第八悬浮检测电极25。其中，径向第一悬浮检测电极18、径向第二悬浮检测电极19、径向第三悬浮检测电极20、径向第四悬浮检测电极21、径向第五悬浮检测电极22、径向第六悬浮检测电极23、径向第七悬浮检测电极24、径向第八悬浮检测电极25，这些径向悬浮检测电极进一步增强了径向的悬浮刚度、实现电容检测。
自稳悬浮技术是本发明的关键技术。上定子第一个悬浮稳定线圈内圈8、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈7，上定子第二个悬浮稳定线圈内圈6、上定子第二个悬浮稳定线圈外圈5组成上定子自稳悬浮稳定线圈。该陀螺工作时，在上定子第一个悬浮稳定线圈内圈8、上定子第一个悬浮稳定线圈外圈7上通幅值相同，频率相等，相位相差180度的交流电，同时在上定子第二个悬浮稳定线圈内圈6、上定子第二个悬浮稳定线圈外圈5上通幅值相同，频率相等，相位相差180度的交流电；在下定子第一个悬浮稳定线圈内圈32、下定子第一个悬浮稳定线圈外圈31上通幅值相同，频率相等，相位相差180度的交流电，同时在下定子第二个悬浮稳定线圈内圈30、下定子第二个悬浮稳定线圈外圈29上通幅值相同，频率相等，相位相差180度的交流电。根据电磁场理论，处于线圈中的微转子3会受到感应电磁力的作用，最终得到稳定的悬浮。另外，轴向悬浮检测电极可进一步增强了本发明的轴向悬浮刚度。
径向悬浮通过径向悬浮检测电极来实现。当转子发生径向偏移时，在相应的径向电极上施加直流电压可实现悬浮控制，具体为：若环形转子沿x轴正向移动，即当环形转子朝向第五径向悬浮检测电极22和第六径向悬浮检测电极23方向运动时，则在第一径向悬浮检测电极18、第二径向悬浮检测电极19上施加幅值相等，极性相反的直流电压，即可把转子拉回到平衡位置。转子沿x轴负向发生移动，可依此类推；若环形转子沿y轴正向发生移动，即当环形转子朝向第七径向悬浮检测电极24和内围第八径向悬浮检测电极25方向运动时，则在第三径向悬浮检测电极20、第四径向悬浮检测电极21上施加幅值相等，极性相反的直流电压，即可把转子拉回到平衡位置。转子沿y轴负向发生移动，可依此类推。
本陀螺的旋转是通过电晕原理实现的。环形转子3的内侧设有齿形电极26，齿形电极26与环形转子3的转子表面结构27有一定的间隔，当在当在齿形电极26上施加电压时，微转子3上的齿形电极26尖端产生电晕放电现象，形成高强的不均匀电场。这个电场就会使它和转子间的空气电离化，微转子3表面结构就会由于电晕放电作用被充电，微转子3和齿形电极26就会由于库伦排斥的作用被驱动着旋转起来。电晕驱动旋转不需要转速检测即可实现恒高速旋转，控制简单。
本陀螺工作时，其位置检测是这样完成的：
(1)当用于检测竖直方向z轴环形转子的位移信号时，若转子向上平移，给上定子第八轴向悬浮检测电极17、上定子第一轴向悬浮检测电极10施加频率为f1的高频交流电，而在下定子轴向第八悬浮检测电极41、下定子轴向第一悬浮检测电极34施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；上定子第二轴向悬浮检测电极11、上定子第三轴向悬浮检测电极12施加频率为f2的高频交流电，而在下定子轴向第二悬浮检测电极35、下定子轴向第三悬浮检测电极36施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；依此类推，上下定子第四轴向悬浮检测电极、上下定子第五轴向悬浮检测电极施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度频率为f3的高频载波，上下定子第六轴向悬浮检测电极、上下定子第七轴向悬浮检测电极施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度频率为f4的高频载波。再通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出环形转子输入的z轴上的位移信号。
(2)当用于检测环形转子绕y轴的位置变化时，给上定子第二轴向悬浮检测电极11、上定子第三轴向悬浮检测电极12施加频率为f2的高频交流电，在下定子第二轴向悬浮检测电极35、下定子第三轴向悬浮检测电极36施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；在上定子第六轴向悬浮检测电极15、上定子第七轴向悬浮检测电极16施加频率为f4的高频交流电，而在下定子第六轴向悬浮检测电极39、下定子第七轴向悬浮检测电极40施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的z轴信号。
(3)当用于检测环形转子绕x轴的位置变化时，给上定子第八轴向悬浮检测电极17、上定子第一轴向悬浮检测电极5施加频率为f2的高频交流电，在下定子第八轴向悬浮检测电极41、下定子第一轴向悬浮检测电极34施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；在上定子第四轴向悬浮检测电极13、上定子第五轴向悬浮检测电极14施加频率为f3的高频交流电，而在下定子第四轴向悬浮检测电极37、下定子第五轴向悬浮检测电极38施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的z轴信号。
(4)当用于检测环形转子沿x轴发生位移时，在第一径向悬浮检测电极18、外围第二径向悬浮检测电极19施加高频交流电，而在第五径向悬浮检测电极22、第六径向悬浮检测电极23施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的x轴信号。转子沿x轴负向发生偏移，依此类推。
(5)当用于检测环形转子沿y轴发生位移时，在第三径向悬浮检测电极20、第四径向悬浮检测电极21施加高频交流电，而在第七径向悬浮检测电极24、第八径向悬浮检测电极25施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的y轴信号。
陀螺仪可敏感二轴角速度。假设该陀螺的转子绕z轴转动的角速度为ω，转动惯量为I，该陀螺以角速度v绕y轴转动，由于陀螺的定轴性，转子将会在x轴向发生偏移，转角为v’，位于上定子1和下定子4上的相应的检测电极通过施加相应的高频载波，就会检测到转子的位置偏移，从而在相应的悬浮电极上施加电压产生再平衡力矩Mx，由再平衡力矩Mx便可得知输入y轴角速度的大小v＝Mx/Iω。陀螺敏感x轴角速度均可依次类推。
陀螺仪也可以敏感三轴向线加速度。当陀螺壳体受到如沿x轴正向的线加速度ax时，转子由于惯性仍然静止，则转子相对定子有沿x轴负向的线位移。经位移检测后，控制电子线路产生控制电压，并加到x轴向布置的径向定子电极上，于是产生x轴负向的静电平衡力Fx使转子回到壳体平衡位置。根据静电平衡力Fx，可求得输入的线加速度ax＝Fm，m为转子的质量。同理，由静电平衡力Fy、Fz可分别求得其它两轴输入的线角速度ay、az。