专利名称：基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种式微陀螺的结构，具体是一种基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺。
背景技术：
陀螺是一种测量物体相对于惯性空间角度或速率的传感装置。MEMS微陀螺是 MEMS技术和惯性技术相结合的产物，是未来陀螺技术的主要发展方向之一。MEMS微陀螺具有体积小、重量轻、功耗低、抗冲击、能适用于较为恶劣的环境条件等优点，已经成为为航空、航天、微小型武器装备等领域导航、制导、控制系统中重要的核心器件。当前微陀螺主要采用振动式结构，振动式陀螺通常采用静电或电磁力驱动，使活动质量块闭环谐振在机械敏感结构的谐振频率上，从而使活动质量块在单位时间内产生最大位移，进而获取微机械陀螺的最大信噪比，然而由于敏感结构的品质因子较低，致使谐振频率稳定性较差，而为提高敏感结构品质因子所采用的真空封装由于漏气使得微陀螺可靠性、长期稳定性下降。其次，由于角速度引起的电荷变化极其微弱，受信号拾取电路与敏感结构之间极限噪声优化参数的限制，使微陀螺的信噪比很难有较大突破。此外，敏感结构的工艺偏差使得机械耦合(正交耦合、寄生哥氏力)非常严重，振动式陀螺的工作原理和加工工艺严重制约着性能的提高。近些年来，人们将注意力放到了悬浮转子微陀螺中。利用电磁力或静电力使转子悬浮起来，可以提高微陀螺质量块的运动速度，在理论上，悬浮转子式微陀螺相对于振动式微陀螺具有更大的哥氏力和更高的灵敏度，且可实现双轴角速度和三轴加速度测量。但由于传统的悬浮转子陀螺使用电磁力或静电力使转子悬浮起来，转子的体积非常�。幼俸臀榷ㄐ缘氖艿较拗疲轿⑼勇菥炔⒚挥忻飨缘母纳啤Ｋ孀拍擅准际醯牟欢戏⒄梗捎媚擅撞牧现谱鞯某子陀氤栌托员∧た梢约跣」桃罕砻娴淖枇Γ热缈蒲Ъ掖幼匀环律梢侗砻娉杷窒蟪龇ⅲ捎媚擅譙iO2粒子复合改性含氟化合物，制备了一系列具有超疏水性的材料；用硅烷偶联剂修饰纳米SiO2粒子， 再用六氟丙烯三聚体对乙烯基苯基醚(C9F17OC6H4CH = CH2)进行表面接枝聚合，制备了具有超疏水疏油性的材料，水的接触角为174.8°，滚动角小于2°。本发明就是利用超疏与悬浮陀螺技术相结合，提出了一种利用超疏效应减阻，液体悬浮的转子式新型微陀螺。与传统悬浮陀螺相比较，该陀螺具有工艺简单，转子易于驱动、哥氏力大等特点。
发明内容
本发明的目的是公开一种新的陀螺传感器结构，它可以利用纳米超亲油和纳米超疏油效应，并通过将转子制作成中空结构。采用表面张力将转子悬浮起来，使用电磁驱动使转子高速旋转起来，有利于降低驱动难度，提高转子转速与稳定性，提高陀螺性能。本发明的目的是这样实现的—种基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺，包括上盖片(5-1)、下盖片 (5-2)、内壁采用超亲油材料的密封腔体O)、能够牢固的吸附在密封腔腔体O)内壁上的
3汽化温度在120°C以上的油(3)、由永磁性材料制成并且表面经过纳米超疏油处理过的转子(4)和4个缠绕有驱动线圈的电磁驱动定子(1)，4个定子上缠绕的驱动线圈匝数完全相同，转子(4)位于密封腔体O)内部，腔体O)与转子(4)之间充满油(3)，转子表面由于纳米超疏油效应吸附有气体薄膜，有利于减少转子转动时的阻力，转子为中空圆柱形结构， 转子悬浮于液体油中，电磁驱动定子(1)采用硅钢片卡在密封腔体( 的外侧，与密封腔体 ⑵的外壁紧密相连；密封腔体⑵采用非磁性材料，上、下每个盖片分别按圆周平均分布有8个检测电极(6)，每个检测电极上都有引线孔(7)，上、下盖片与腔体( 通过键合或者粘合密封。本发明专利还有如下技术特征1.所述的油包括植物油、矿物质油或者高纯度液晶材料。2.或者将腔体内壁做成超亲油效应与超疏油效应相间的结构，转子表面制作成超疏油效应结构。3.转子或制成圆盘片状。4.所述的油或者是两种具有界面的油。5.转子无需外加悬浮驱动力。6.使用电磁伺服驱动。本发明的优点在于制备工艺简单，腔体采用机械冲压的方式即可完成制做，转子采用磨具进行制作，转子转动时由于纳米超疏油可以减小阻力，转子的运动速度快，稳定性高，相对于振动式陀螺具有较高的精度。
图1 基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺的俯视示意图；图2 基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺的侧视示意图；图3 定子上施加的驱动信号图。
具体实施方案结合说明书附图作如下说明实施例1 一种基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺，包括上盖片(5-1)、下盖片 (5-2)、内壁采用超亲油材料的密封腔体O)、能够牢固的吸附在密封腔腔体O)内壁上的汽化温度在120°C以上的油(3)、由永磁性材料制成并且表面经过纳米超疏油处理过的转子(4)和4个缠绕有驱动线圈的电磁驱动定子(1)，4个定子上缠绕的驱动线圈匝数完全相同，转子(4)位于密封腔体O)内部，腔体O)与转子(4)之间充满油(3)，转子表面由于纳米超疏油效应吸附有气体薄膜，有利于减少转子转动时的阻力，转子为中空圆柱形结构， 转子悬浮于液体油中，电磁驱动定子(1)采用硅钢片卡在密封腔体( 的外侧，与密封腔体 ⑵的外壁紧密相连；密封腔体⑵采用非磁性材料，上、下每个盖片分别按圆周平均分布有8个检测电极(6)，每个检测电极上都有引线孔(7)，从而实现对微陀螺电容变化的检测， 上、下盖片与腔体( 通过键合或者粘接密封。所述的油包括植物油、矿物质油或者高纯度液晶材料。其中，或者将腔体内壁做成超亲油效应与超疏油效应相间的结构，转子表面制作成超疏油效应结构；转子或制成圆盘片状；所述的油或者是两种具有界面的油。本微陀螺使用电磁伺服驱动。实施例2 一种基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺的制作过程如下如图1、2所示。 腔体采用机械冲压的方式、转子、以及4个定子(1)的采用模具进行加工；加工完后的腔体和磨具采用磨床进行刨光，对微陀螺腔体内使用的高汽化温度的油(3)进行密度测量，设计中空结构的微陀螺转子G)，使得转子的等效密度与液体(3)的密度相等，采用机械加工的方法完成中空结构的转子(4)制作，测量加工完成后的转子的等效密度，采用精密磨床对转子表面进行修正，使得转子的等效密度与与液体的密度相同，转子的重心、中心、浮心重叠，对转子采用充磁机进行充磁，使其径向带磁，然后采用化学腐蚀法对转子表面进行超疏油处理，使得转子表面对悬浮液体油展现出超疏油的特点，对进行加工完后的定子上缠绕驱动线圈，4个定子上缠绕的驱动线圈匝数完全相同，将悬浮液体油( 注入腔体O)，然后将上盖板(5)与腔体O)的上面采用键合或粘接的方式密封。实施例3 在定子的4个线圈上施加4个相位相差90°的驱动信号，如图3所示，a，b，c, d 四个极的驱动波形依次相移90°。当a极电流为正方向时，a相激励磁场所产生的磁场力使转子旋转到转子极轴线与定子极轴线重合位置(此时磁阻最小)，从而产生磁阻性质的电磁转矩。若依次按a-b-c-d相绕组通电，则转子按逆时针方向连续转动；当没有外部角速度输入时，转子平稳旋转，不会发生偏转。因此等效检测电容值不会发生变化，经差分检测输出为零，表示没有外加角速度输入。当外部存在沿X轴的外部角速度输入时，转子会在哥氏力的作用下发生偏转。若转子沿逆时针方向高速旋转，则其左侧质点相对于转子的速度V 沿正Y方向，则会受到Z方向的哥氏力作用，向上偏转。从而左上侧、右下侧检测电容的极板间距减小，电容值增大；同理，右上侧、左下侧检测电容的极板间距增大，电容值减小。经差分检测，电容变化量对应外加角速度输入。实验测试结果表明，未经过纳米超疏油处理的转子，转子转速约为lOOOr/min。进行纳米超疏油处理后，转子转速可达到2000r/min。
权利要求
1.一种基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征在于包括上盖片(5-1)、下盖片(5-2)、内壁采用超亲油材料的密封腔体O)，能够牢固的吸附在密封腔腔体O)内壁上的汽化温度在120°C以上的油(3)，由永磁性材料制成并且表面经过纳米超疏油处理过的转子(4)和4个缠绕有驱动线圈的电磁驱动定子(1)，4个定子上缠绕的驱动线圈匝数完全相同，转子(4)位于密封腔体O)内部，腔体( 与转子(4)之间充满油(3)，转子表面由于纳米超疏油效应吸附有气体薄膜，转子为中空圆柱形结构，转子悬浮于液体油中，电磁驱动定子⑴采用硅钢片卡在密封腔体⑵的外侧，与密封腔体⑵的外壁紧密相连；密封腔体⑵采用非磁性材料，上、下每个盖片分别按圆周平均分布有8个检测电极(6)，每个检测电极上都有引线孔(7)，上、下盖片与腔体( 通过键合或者粘接密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征在于所述的油包括植物油、矿物质油或者高纯度液晶材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征在于或者将腔体内壁做成超亲油效应与超疏油效应相间的结构，转子表面制作成超疏油效应结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征在于转子或制成圆盘片状。
5.根据权利要求1所述的一种基于超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征在于转子无需外加悬浮驱动力。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征于使用电磁伺服驱动。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于超疏油效应的液浮转子式微陀螺，其特征在于 所述的油或者是两种具有界面的油。
全文摘要
一种基于纳米超疏油效应的液浮转子式微陀螺，包括上盖片、下盖片、内壁采用超亲油材料的密封腔体，能够牢固的吸附在密封腔腔体内壁上的汽化温度在120℃以上的油，由永磁性材料制成并且表面经过纳米超疏油处理过的转子和4个缠绕有驱动线圈的电磁驱动定子，4个定子上缠绕的驱动线圈匝数完全相同，转子位于密封腔体内部，腔体与转子之间充满油，转子表面由于纳米超疏油效应吸附有气体薄膜，转子为中空圆柱形结构，转子悬浮于液体油中，电磁驱动定子采用硅钢片卡在密封腔体的外侧，密封腔体采用非磁性材料，上下盖片与腔体通过键合或者粘接密封。本发明的优点在于制备工艺简单，转子的运动速度快，稳定性高，相对于振动式陀螺具有较高的精度。
文档编号G01C19/02GK102564408SQ20111041696
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者刘晓为, 张海峰, 汪东博, 董长春, 赵振刚 申请人:哈尔滨工业大学
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