CN110608735A - 一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，定子设置于所述陀螺转子的上方；定子静电驱动电极设置于定子的下表面，用于产生步进电场；高温超导体设置于陀螺转子的下方；陀螺转子的下表面设有永磁体，永磁体为轴对称环形；永磁体产生的磁场作用在下方的高温超导体上，通过高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使陀螺转子被锁定悬浮在高温超导体的上方；陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过定子静电驱动电极产生的步进电场作用在转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使陀螺转子高速旋转。本发明采用高温超导体中磁场的磁通钉扎效应来实现稳定悬浮，是一种无源悬浮技术。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，具体地，涉及一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺。
背景技术
基于高速转动转子的定轴性工作的转子陀螺在传统高精度陀螺中被广泛应用，典型的有液浮、磁悬浮、超导悬浮转子等。由于悬浮转子陀螺具有较为复杂的结构，早期MEMS陀螺都采用基于Coriolis效应的振子结构，这种结构较为简单的、易于微加工工艺制作。近些年来，随着MEMS微加工技术发展日益成熟，转子式MEMS微陀螺的研发得到了国内外科学家们广泛关注。
早在1992年，美国Satcon Technology公司报导了一种表面微加工角速率陀螺。制作了2.2μm厚，直径为200μm的多晶硅转子静电马达，采用模拟闭环控制电路控制转子的自转轴指向。然而，在运行的时候，由于电荷导致了转子被粘附而失败。随后，在1995年到1998年英国谢菲尔德大学报导了采用电磁感应涡流悬浮技术制作了电磁悬浮转子微马达。2004年，上海交通大学在该项技术的基础上对线圈结构进行了改进，也制作出了电磁感应涡流悬浮转子微马达。两个机构都实现了转子的悬浮和旋转。1999年到2006年，日本的Tokimec公司报导了一种静电悬浮陀螺。这种陀螺采用静电悬浮支撑环形硅转子，采用阳极键合技术制作了玻璃-硅-玻璃转子密封结构。最大的转子转速为70000转/分，陀螺的标度因子为6.5mV/deg/s。该精度还难以超越现有的振动陀螺从而得到广泛商业应用。近些年来，清华大学在静电悬浮惯性传感器方面也取得了较大的研究进展。哈尔滨工业大学在超疏水液体悬浮转子微陀螺方面也开展了广泛的研究工作。
现有的基于MEMS技术制作的悬浮转子微陀螺都还存在亟待解决的技术难题，如：电磁感应悬浮中涡流加热高温及电涡流阻尼，静电悬浮中的小间隙、大驱动电压、工作稳定性等。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺。
根据本发明提供一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，
所述定子设置于所述陀螺转子的上方；
所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，用于产生步进电场；
所述陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过所述定子静电驱动电极产生的步进电场作用在所述转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使所述陀螺转子高速旋转；
所述高温超导体设置于所述陀螺转子的下方；
所述陀螺转子的下表面设有永磁体，所述永磁体产生的磁场作用在下方的所述高温超导体上，通过所述高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使所述陀螺转子被锁定悬浮在所述高温超导体的上方。
优选地，所述永磁体为磁通钉扎永磁体，所述磁通钉扎永磁体为轴对称环形结构，使所述陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，实现所述陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。
优选地，还包括转子舱、隔热薄层、低温舱，其中，
所述转子舱设置于所述定子与所述隔热薄层之间，所述定子位于所述转子舱的上方，所述隔热薄层位于所述转子舱的下方；所述定子的下表面与圆筒状所述转子舱壁以及所述隔热薄层的上表面通过粘结剂固联形成所述转子舱的封闭空间；
所述陀螺转子悬浮于所述转子舱内；
所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，且位于所述转子舱内；
所述低温舱设置于所述隔热薄层的下方，由所述隔热薄层的下表面与具有上部敞开面的长方体低温舱壁通过粘结剂固联形成封闭空间；
所述高温超导体设置于所述低温舱内，且位于所述隔热薄层的下表面上；
所述低温舱的两侧设有液氮注入口、排气口。
优选地，所述微陀螺还包括环形电极、位置检测电极，所述环形电极设置于所述陀螺转子的上表面，所述环形电极设置于所述转子静电驱动电极的***；
所述位置检测电极设置于所述定子的下表面，所述位置检测电极设置于所述定子静电驱动电极的***，所述位置检测电极和所述环状电极形成多组差动电容，用于检测所述陀螺转子的空间位置和姿态。
优选地，所述位置检测电极包括位置检测公共电极和位置检测组成电极，所述检测公共电极设置于所述位置检测组成电极的***。
优选地，所述微陀螺还包括静电受力电极和静电施力电极，所述静电受力电极设置于所述陀螺转子的下表面，所述静电受力电极设置于所述永磁体的***；
所述静电施力电极设置于所述隔热薄层的上表面，并位于所述转子舱内，通过所述静电施力电极对所述陀螺转子施加静电力；
所述静电施力电极上施加电压，所述静电施力电极和所述静电受力电极间感应出静电场的静电力可对所述陀螺转子施加力矩，用于调整所述陀螺转子的空间姿态角，当所述陀螺转子由于外界旋转输入或扰动产生进动时，施加的力矩可调整所述陀螺转子回到中央位置。
优选地，所述转子舱为真空状态。
优选地，所述隔热薄层的材料采用具有磁穿透性的热绝缘材料。
优选地，具有以下一种或多种特征：
-所述定子静电驱动电极包括多个定子静电驱动电极板，由多个所述定子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；
-所述转子静电驱动电极包括多个转子静电驱动电极板，由多个所述转子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；
-所述转子静电驱动电极板与所述定子静电驱动电极板的数量相匹配，以满足静电步进驱动效果。
优选地，所述陀螺转子的基体为导磁层，所述导磁层为圆盘结构。
本发明是利用陀螺转子中永磁体的磁场在高温超导体中的磁通钉扎效应，对陀螺转子产生悬浮力；利用定子中定子静电驱动电极产生的步进电场作用在转子静电驱动电极产生旋转扭矩，使陀螺转子高速旋转产生陀螺效应；陀螺转子的进动采用陀螺转子上的环形电极和定子上的位置检测电极间的变电容进行检测，来获得陀螺载体的转动运动。陀螺转子和定子采用微加工工艺制作。高温超导体的磁通钉扎效应可获得稳定的悬浮效果，本发明为获得一种高性能微转子陀螺提供了一种新的途径。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明中，通过采用高温超导体中磁场的磁通钉扎效应来实现稳定悬浮，相比于电磁感应悬浮、静电悬浮、反磁悬浮等悬浮技术，磁通钉扎效应实现的悬浮更为稳定，是一种无源悬浮技术；磁通钉扎效应实现的悬浮所需的结构更为简单，容易采用微加工技术来实现；且本发明中采用静电旋转驱动，增大了旋转扭矩以增大陀螺转子转速，同时避免了旋转磁场驱动所带来的涡流感应热效应或电磁感应干扰等不利影响。
本发明通过，磁通钉扎永磁体为轴对称结构，使陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，所以陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。
本发明通过设置环形电极、位置检测电极，陀螺转子的进动采用陀螺转子上的环形电极和定子上的位置检测电极间的变电容进行检测，来感应陀螺载体在敏感轴上输入的角运动，获得陀螺载体的转动运动。
进一步，通过静电施力电极和静电受力电极之间感应出静电场的静电力可对转子施加力矩，进而调整陀螺转子的空间姿态角，当陀螺转子由于外界旋转输入或扰动产生进动时，施加的力矩可调整陀螺转子回到中央位置。
本发明可提高微陀螺的测量分辨率，降低陀螺的测量误差，提高微陀螺长期工作的稳定性,输出灵敏度及性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例的定子的结构示意图；
图3为本发明一实施例的陀螺转子的上表面的结构示意图；
图4为本发明一实施例的陀螺转子的下表面的结构示意图；
图5为本发明一实施例的隔热薄层的上表面的结构示意图；
图中标记分别表示为：1为定子、2为转子舱、3为定子静电驱动电极、4为位置检测电极、5为转子静电驱动电极、6为环形电极、7为导磁层、8为磁通钉扎永磁体、9为转子舱壁、10为隔热薄层、11为排气口、12为低温舱、13为高温超导体、14为低温舱壁、15为液氮注入口、16为静电施力电极、17为静电受力电极、31为第一定子静电驱动电极板、32为第二定子静电驱动电极板、33为第三定子静电驱动电极板、34为第四定子静电驱动电极板、41为位置检测公共电极、42为第一位置检测组成电极、43为第二位置检测组成电极、44为第三位置检测组成电极、45为第四位置检测组成电极、46为第五位置检测组成电极、47为第六位置检测组成电极、48为第七位置检测组成电极、49为第八位置检测组成电极、51为第一转子静电驱动电极板、52为第二转子静电驱动电极板、53为第三转子静电驱动电极板、54为第四转子静电驱动电极板、55为第五转子静电驱动电极板、56为第六转子静电驱动电极板、161为第一静电施力组成电极、162为第二静电施力组成电极、163为第三静电施力组成电极、164为第四静电施力组成电极、165为第五静电施力组成电极、166为第六静电施力组成电极、167为第七静电施力组成电极、168为第八静电施力组成电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1-5所示，为本发明一实施例一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺的结构示意图，参照图1所示，图中包括定子1、陀螺转子、高温超导体13、定子静电驱动电极3；其中，定子1设置于陀螺转子的上方；在一具体实施例中，陀螺转子的基体为导磁层7，导磁层7为圆盘结构。定子静电驱动电极3设置于定子1的下表面，用于产生步进电场；高温超导体13设置于陀螺转子的下方。陀螺转子的上表面的中心位置设置转子静电驱动电极5，通过定子静电驱动电极3产生的步进电场作用在转子静电驱动电极5，产生旋转扭矩，使陀螺转子高速旋转。
陀螺转子的下表面的中心位置设置永磁体，在一具体实施例中采用磁通钉扎永磁体8，参照图4所示，磁通钉扎永磁体8为轴对称环形结构，使陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，实现陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。永磁体产生的磁场作用在下方的高温超导体13上，通过高温超导体13的抗磁和磁通钉扎特性，使陀螺转子被锁定悬浮在高温超导体13的上方。
在具体实施时，定子1、设置于定子1上的定子静电驱动电极3、高温超导体13、陀螺转子、以及设置于陀螺转子上的转子静电驱动电极5、永磁体同轴设置。
在其他实施例中，定子静电驱动电极3包括多个定子静电驱动电极板，由多个定子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；在一具体实施例中，参照图2所示，定子静电驱动电极3由第一定子静电驱动电极板31、第二定子静电驱动电极板32、第三定子静电驱动电极板33、第四定子静电驱动电极板34呈环形分布构成轴对称环形结构，在其他实施例也可以采用其他数量的定子静电驱动电极板。
转子静电驱动电极5包括多个转子静电驱动电极板，由多个转子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；在一具体实施例中，参照图3所示，转子静电驱动电极5由第一转子静电驱动电极板51、第二转子静电驱动电极板52、第三转子静电驱动电极板53、第四转子静电驱动电极板54、第五转子静电驱动电极板55、第六转子静电驱动电极板56呈环形分布构成轴对称环形结构，在其他实施例中转子静电驱动电极板也可以采用其他数量组成。
使定子静电驱动电极板的数量与转子静电驱动电极板的数量相匹配，以满足静电步进驱动效果。
在另一具体实施例中，参照图1所示，一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺的结构，还包括转子舱2、隔热薄层10、低温舱12，
转子舱2设置于定子1与隔热薄层10之间，定子1位于转子舱2的上方，隔热薄层10位于转子舱2的下方。转子舱2由定子1的下表面与圆筒状转子舱壁9以及隔热薄层10的上表面通过粘结剂固联形成封闭空间。其中，陀螺转子悬浮于转子舱2内；定子静电驱动电极3位于转子舱2内。该粘结剂可以采用环氧树脂。低温舱12设置于隔热薄层10的下方，由隔热薄层10的下表面与具有上部敞开面的长方体低温舱壁14通过粘结剂固联形成封闭空间。将高温超导体13设置于低温舱12内，且位于隔热薄层10的下表面上。低温舱12的两侧设有液氮注入口15、排气口11。低温舱12可通入液氮或液氦等低温气体，以维持超低温。
上述实施例中包括转子舱2和低温舱12，两个舱室是分立的(方便零场冷或固定场冷时二者之间的距离调节)。工作时，通过固联粘结剂将二者固定连接起来。隔热薄层10的材料为具有磁穿透性的热绝缘材料。
高温超导体13可以采用常用的圆盘形钇钡铜氧YBCO，也可以采用其他的高温超导材料制备，将高温超导体13固定在低温舱12上方，低温舱12的两侧有液氮的流入流出口，低温舱壁14采用热绝缘材料制备，为了防止超导体悬浮的高度过大(指高温超导体13和悬浮转子之间的距离)而造成悬浮力、稳定性不够，因此，低温舱12的上表面采用磁穿透性好的热绝缘超薄结构(隔热薄层10)。转子舱2为一全密封结构，转子舱2的下表面为磁穿透性好热绝缘超薄结构(隔热薄层10)。为了减小转子旋转时受到的空气阻尼力，转子舱2被抽成真空状态，更高的真空度可提高转子的转速，同时还可减少对流热传递，有利于延长高温超导体13低温维持时间，可根据陀螺性能指标要求来确定真空度。陀螺转子主体，即导磁材料为一圆盘结构，位于转子舱2的中央位置，陀螺转子的下表面设有永磁体，永磁体为轴对称环形，产生的磁场作用在正下方的高温超导体13上。由于高温超导体13的抗磁和磁通钉扎特性，陀螺转子被锁定悬浮在高温超导体13的上方。由于磁通钉扎永磁体8为轴对称结构，微转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，所以微转子能绕其中心轴高速旋转。
转子舱2上盖板的下表面中央区域制作有定子静电驱动电极3，产生的步进电场和转子上表面转子静电驱动电极5相互作用，产生的驱动扭矩使得陀螺转子高速旋转。
采用该结构可实现微转子的高温超导自锁悬浮、步进电场高速旋转驱动和陀螺转子转轴指向。后端的检测电路完成电容信号的提取，实现载体角运动的检测。工作时，液氮注入到储存腔后，入口和出口封闭。整个结构(包括液氮冷却装置)可实现小型化。
在其他实施例中，微陀螺还包括环形电极6、位置检测电极4，环形电极6设置于陀螺转子的上表面，环形电极6设置于转子静电驱动电极5的***。位置检测电极4设置于定子的下表面，位置检测电极4设置于定子静电驱动电极3的***，位置检测电极4和环状电极6形成多组差动电容，用于检测陀螺转子的空间位置和姿态。在具体实施时，陀螺转子的进动采用陀螺转子上的环形电极6和定子1上的位置检测电极4间的变电容进行检测，来感应陀螺载体在敏感轴上输入的角运动，获得陀螺载体的转动运动。检测机理为差分电容位置检测原理。
在另一具体实施例中，位置检测电极4包括位置检测公共电极41和位置检测组成电极，检测公共电极位于位置检测组成电极的***。在一具体实施例中，位置检测电极4包括八个位置检测组成电极，分别为第一位置检测组成电极42、第二位置检测组成电极43、第三位置检测组成电极44、第四位置检测组成电极45、第五位置检测组成电极46、第六位置检测组成电极47、第七位置检测组成电极48、第八位置检测组成电极49，由八个位置检测组成电极呈环形分布构成轴对称环形结构。其中，位置检测公共电极41为环形结构，且位于位置检测组成电极的***。
在其他实施例中，微陀螺还包括静电受力电极17和静电施力电极16，静电受力电极17设置于陀螺转子的下表面，静电受力电极17设置于永磁体的***；静电施力电极16设置于隔热薄层10的上表面，并位于转子舱2内，通过静电施力电极16对陀螺转子施加静电力。
静电施力电极16上施加电压，静电施力电极16和静电受力电极17间感应出静电场的静电力可对陀螺转子施加力矩，用于调整陀螺转子的空间姿态角，当陀螺转子由于外界旋转输入或扰动产生进动时，施加的力矩可调整陀螺转子回到中央位置。
在一具体实施例中，参照图5所示，静电施力电极16由第一静电施力组成电极161、第二静电施力组成电极162、第三静电施力组成电极163、第四静电施力组成电极164、第五静电施力组成电极165、第六静电施力组成电极166、第七静电施力组成电极167、第八静电施力组成电极168呈环形分布组成轴对称环形结构，其中，相邻两个静电施力电极16为一组，共形成四组。通过在一组两个静电施力组成电极上施加电压，对陀螺转子施加静电力，四组可施加四个位置的静电力，从而产生两个水平方向上的正交力矩，调节陀螺转子的空间位置姿态角。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，包括定子、陀螺转子、高温超导体、定子静电驱动电极；其中，
所述定子设置于所述陀螺转子的上方；
所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，用于产生步进电场；
所述陀螺转子的上表面设有转子静电驱动电极，通过所述定子静电驱动电极产生的步进电场作用在所述转子静电驱动电极，产生旋转扭矩，使所述陀螺转子高速旋转；
所述高温超导体设置于所述陀螺转子的下方；
所述陀螺转子的下表面设有永磁体，所述永磁体产生的磁场作用在下方的所述高温超导体上，通过所述高温超导体的抗磁和磁通钉扎特性，使所述陀螺转子被锁定悬浮在所述高温超导体的上方。
2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述永磁体为磁通钉扎永磁体，所述磁通钉扎永磁体为轴对称环形结构，使所述陀螺转子除了沿其旋转中心轴方向上的转动自由度未被限定，其它五个自由度皆被电磁力限定，实现所述陀螺转子能绕其中心轴高速旋转。
3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，还包括转子舱、隔热薄层、低温舱，其中，
所述转子舱设置于所述定子与所述隔热薄层之间，所述定子位于所述转子舱的上方，所述隔热薄层位于所述转子舱的下方；所述定子的下表面与圆筒状转子舱壁以及所述隔热薄层的上表面通过粘结剂固联形成所述转子舱的封闭空间；
所述陀螺转子悬浮于所述转子舱内；
所述定子静电驱动电极设置于所述定子的下表面，且位于所述转子舱内；
所述低温舱设置于所述隔热薄层的下方，由所述隔热薄层的下表面与具有上部敞开面的长方体低温舱壁通过粘结剂固联形成封闭空间；
所述高温超导体设置于所述低温舱内，且位于所述隔热薄层的下表面上；
所述低温舱的两侧设有液氮注入口、排气口。
4.根据权利要求3所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述微陀螺还包括环形电极、位置检测电极，所述环形电极设置于所述陀螺转子的上表面，所述环形电极设置于所述转子静电驱动电极的***；
所述位置检测电极设置于所述定子的下表面，所述位置检测电极设置于所述定子静电驱动电极的***，所述位置检测电极和所述环状电极形成多组差动电容，用于检测所述陀螺转子的空间位置和姿态。
5.根据权利要求4所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述位置检测电极包括位置检测公共电极和位置检测组成电极，所述检测公共电极设置于所述位置检测组成电极的***。
6.根据权利要求3所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述微陀螺还包括静电受力电极和静电施力电极，所述静电受力电极设置于所述陀螺转子的下表面，所述静电受力电极设置于所述永磁体的***；
所述静电施力电极设置于所述隔热薄层的上表面，并位于所述转子舱内，通过所述静电施力电极对所述陀螺转子施加静电力；
所述静电施力电极上施加电压，所述静电施力电极和所述静电受力电极间感应出静电场的静电力可对所述陀螺转子施加力矩，用于调整所述陀螺转子的空间姿态角，当所述陀螺转子由于外界旋转输入或扰动产生进动时，施加的力矩可调整所述陀螺转子回到中央位置。
7.根据权利要求3所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述转子舱为真空状态。
8.根据权利要求3所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述隔热薄层的材料采用具有磁穿透性的热绝缘材料。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，具有以下一种或多种特征：
-所述定子静电驱动电极包括多个定子静电驱动电极板，由多个所述定子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；
-所述转子静电驱动电极包括多个转子静电驱动电极板，由多个所述转子静电驱动电极板组成轴对称环形结构；
-所述转子静电驱动电极板与所述定子静电驱动电极板的数量相匹配，以满足静电步进驱动效果。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的一种高温超导磁通钉扎效应静电驱动微转动陀螺，其特征在于，所述陀螺转子的基体为导磁层，所述导磁层为圆盘结构。
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