專利名稱：雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺。
背景技術(shù)：
在過去的二十多年的時間里，國內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細(xì)加工技術(shù)或者體微細(xì)加工技術(shù)加工出了很多種微振動陀螺，但由于種種原因微振動陀螺很難達(dá)到傳統(tǒng)陀螺的高精度。上世紀(jì)90年代，Shearwood等人提出了一種電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺，電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺是由平面線圈、感應(yīng)電極和微轉(zhuǎn)子等主要部分組成的，其中平面線圈根據(jù)其功能不同又分成懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈和穩(wěn)定線圈三種。電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺是依靠電磁感應(yīng)原理和電磁力理論得以懸浮和旋轉(zhuǎn)的，平面線圈上方放有微轉(zhuǎn)子，懸浮線圈位于最靠近中心的位置，緊靠懸浮線圈的是旋轉(zhuǎn)線圈，旋轉(zhuǎn)線圈可分為多相，微轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)磁場中，處于定子線圈最外圍的是穩(wěn)定線圈，定子線圈之間還分布著有傳感電容電極。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號為5955800，名稱為懸浮系統(tǒng)(Leivitation Systems)。該專利文中提到該系統(tǒng)是以下幾個部分組成的a)最大直徑為1500μm的高導(dǎo)電率體；b)懸浮力產(chǎn)生裝置；c)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的微型裝置。在這種電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺中采用單定子結(jié)構(gòu)。單定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺對微轉(zhuǎn)子只提供水平方向上的電磁約束，在垂直方向上是在重力作用下形成約束，因此，在重力場作用下，單定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺不能工作在傾斜或倒立狀態(tài)。即使單定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺工作在水平狀態(tài)下能得到穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，但其抗干擾性能很差，一旦外界有些許的擾動，微轉(zhuǎn)子就會失去平衡狀態(tài)，這些不足限制了電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。
檢索中還發(fā)現(xiàn)，在雜志《Sensors and Actuators》(傳感器與執(zhí)行器)第83卷(2000年)85頁的《Development of a levitated micromotor forapplication as a gyroscope》(用于陀螺中懸浮微馬達(dá)的研究進(jìn)展)文章中，Shearwood等人給出了單定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺的研究成果。針對直徑為520微米，厚度為12微米的轉(zhuǎn)子，得到的最大轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)每分。該轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到高精度微陀螺的要求。文中分析微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能進(jìn)一步提高的原因之一是微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時存在偏心量，隨著轉(zhuǎn)速的提高，微轉(zhuǎn)子的離心力增大，最終微轉(zhuǎn)子在離心力的作用下被拋出，失去穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。這是單定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺固有的缺陷。

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，提供一種雙定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺，使其采用雙定子三明治式結(jié)構(gòu)，解決了背景技術(shù)的不足，能提高的測量精度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括包括上基體、上定子、微轉(zhuǎn)子、下定子、下基體、密封圈。上定子和下定子是對稱結(jié)構(gòu)，上定子設(shè)在上基體上，和上基體形成固定聯(lián)接；下定子在下基體上，和下基體形成固定聯(lián)接，除了下定子上有微轉(zhuǎn)子限位柱外，上定子和下定子完全相同，在下基體的外緣設(shè)有密封圈，密封圈和下基體形成固定聯(lián)接，密封圈和上基體通過鍵合形成固定聯(lián)接，微轉(zhuǎn)子在上定子、下定子磁場電磁力的作用下穩(wěn)定懸浮在上基體、下基體和密封圈形成的封閉腔體內(nèi)。
在上、下定子上各分布有四個穩(wěn)定懸浮線圈，穩(wěn)定懸浮線圈在圓周方向上呈軸對稱分布。穩(wěn)定懸浮線圈磁場在微轉(zhuǎn)子上下表面感應(yīng)的磁場力使微轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在腔體的中央。
在靠近上、下定子中心的位置上各有八個旋轉(zhuǎn)線圈，每個旋轉(zhuǎn)線圈都通有一定相位差的交流電，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
在每個懸浮穩(wěn)定線圈的中都有兩塊傳感電極，傳感電極和微轉(zhuǎn)子形成的差分電容用于微轉(zhuǎn)子空間位置的檢測。
在本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，微轉(zhuǎn)子工作在上、下定子形成的空間磁場中，感應(yīng)的電磁力將微轉(zhuǎn)子“夾持”在腔體的中央，從而懸浮的微轉(zhuǎn)子被控制在一定的高度，提高了微轉(zhuǎn)子在高度方向上的抗沖擊能力。隨著穩(wěn)定懸浮電流的增加，微轉(zhuǎn)子在腔體中懸浮高度不會改變，但提高了微轉(zhuǎn)子在高度和水平方向上的剛度，微轉(zhuǎn)子的懸浮高度以及在豎直和水平方向上的剛度可以通過改變上下定子懸浮穩(wěn)定線圈的電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。高的水平方向上的剛度有利于微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的提高。雙定子結(jié)構(gòu)能大大增加旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩，這是由于相比于單定子結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)增加了旋轉(zhuǎn)線圈的數(shù)量，從而增加了旋轉(zhuǎn)磁場的強度；另外，微轉(zhuǎn)子被控制在很小的懸浮高度上，這能提高微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩。
現(xiàn)有的電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺采用的都是單定子結(jié)構(gòu)，這種微轉(zhuǎn)動陀螺的微轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度不高，抗沖擊能力很差，因此還不能達(dá)到實用的水平。本發(fā)明提出的雙定子電磁懸浮微轉(zhuǎn)動陀螺通過上下定子磁場產(chǎn)生的電磁力限制了微轉(zhuǎn)子在水平方向和豎直方向的自由度，增加了電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺的抗沖擊能力，使得電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺能在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如軍事武器的導(dǎo)航和制導(dǎo)、微納衛(wèi)星的姿態(tài)控制、虛擬現(xiàn)實等。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明下定子三維視圖；圖3是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)線圈、防粘著柱及轉(zhuǎn)子限位柱的三維視圖；圖4是圖3結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖5是本發(fā)明穩(wěn)定懸浮線圈的三維視圖；圖6是圖5結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖7是本發(fā)明微轉(zhuǎn)子三維視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括上基體1、上定子2、微轉(zhuǎn)子3、下定子4、下基體5、密封圈6。上定子2采用微細(xì)加工方法制作在上基體1上，和上基體1形成固定聯(lián)接。下定子4采用微細(xì)加工方法制作在下基體5上，和下基體5形成固定聯(lián)接。除了在下定子4上制作有微轉(zhuǎn)子限位柱12外，下定子4的其他結(jié)構(gòu)和上定子2完全相同。在下基體5的外緣采用微細(xì)加工方法制作有密封圈6，和下基體5形成固定聯(lián)接。密封圈6和上基體1之間通過鍵合形成固定聯(lián)接。微轉(zhuǎn)子3在上定子2、下定子4磁場電磁力的作用下穩(wěn)定懸浮在上基體1、下基體5和密封圈6形成的封閉腔體內(nèi)。
如圖2所示，在下定子4上，由外而內(nèi)依次分布有穩(wěn)定懸浮線圈外圈8、傳感電極7、聯(lián)接線13、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈9、旋轉(zhuǎn)線圈10、防粘著柱11、微轉(zhuǎn)子限位柱12。
如圖3、4所示，旋轉(zhuǎn)線圈10位于下定子4最靠近中心的位置，本發(fā)明的示例選用8個旋轉(zhuǎn)線圈，在圓周方向上呈對稱分布。旋轉(zhuǎn)線圈10的外徑要比環(huán)形微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑大。為了形成旋轉(zhuǎn)磁場，相鄰旋轉(zhuǎn)線圈電流相位差為90°。在每個旋轉(zhuǎn)線圈內(nèi)部有防粘著柱11，防粘著柱11比穩(wěn)定懸浮線圈外圈8、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈9、聯(lián)接線13構(gòu)成的穩(wěn)定懸浮線圈及傳感電極7高3到5個微米。當(dāng)微陀螺停止工作時，防粘著柱11可以減小微轉(zhuǎn)子3和下定子4之間的接觸面積，可以防止微轉(zhuǎn)子3粘著的發(fā)生。
如圖5、6所示，每個穩(wěn)定懸浮線圈外圈8、聯(lián)接線13及穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈9連接在一起，形成封閉的穩(wěn)定懸浮線圈。穩(wěn)定懸浮線圈共有4個，在圓周方向呈對稱分布。穩(wěn)定懸浮線圈位于下定子的外側(cè)。穩(wěn)定懸浮線圈外圈8直徑比微轉(zhuǎn)子的外徑大，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈9的直徑比微轉(zhuǎn)子的外徑小。當(dāng)在四個穩(wěn)定懸浮線圈中通有相位和幅值相同的交變電流時，交變磁場在微轉(zhuǎn)子中會感應(yīng)出電磁力。微轉(zhuǎn)子3中央感應(yīng)出的電磁力接近軸對稱分布，其合力豎直向上，克服微轉(zhuǎn)子3的所受到的重力作用。微轉(zhuǎn)子3外側(cè)電磁力也為傾斜的，當(dāng)微轉(zhuǎn)子3沒有偏心的時候，微轉(zhuǎn)子3外側(cè)電磁力也接近軸對稱分布，不存在水平方向的分力。當(dāng)微轉(zhuǎn)子在水平方向相對上、下定子2、4中心有偏離時，由于微轉(zhuǎn)子外側(cè)電磁力不再呈對稱分布，會產(chǎn)生水平方向上的分力，分力方向指向圓心，可防止微轉(zhuǎn)子被拋出。每個穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)部都有一對傳感電極7，它們和微轉(zhuǎn)子3之間形成的電容值隨微轉(zhuǎn)子3的位置和姿態(tài)不同而變化。八個傳感電極7形成四個檢測電容可以檢測微轉(zhuǎn)子3的空間位置及姿態(tài)。
除了沒有微轉(zhuǎn)子限位柱12，上定子2的其他結(jié)構(gòu)和下定子4完全相同。由于上、下定子2、4都會產(chǎn)生電磁力，微轉(zhuǎn)子3在電磁力的作用下，不但能約束了在水平方向上的運動，同時也約束了在豎直方向上的運動，大大增加了抗沖擊能力。
如圖7所示，微轉(zhuǎn)子3為一個環(huán)形導(dǎo)體。環(huán)形導(dǎo)體的外緣處于穩(wěn)定懸浮線圈外圈8、內(nèi)圈9之間，環(huán)形導(dǎo)體的內(nèi)徑比旋轉(zhuǎn)線圈10外徑小。
穩(wěn)定懸浮線圈和傳感電極都是平面結(jié)構(gòu)，材料一般采用導(dǎo)電性能較好的銅，采用光刻電鍍微細(xì)加工方法制造。為了減小電磁能量的耗散，基體材料采用導(dǎo)磁性能較好的鐵氧體。微轉(zhuǎn)子限位柱12具有很大的高度，可以采用準(zhǔn)LiGA或LiGA技術(shù)制造。微轉(zhuǎn)子3的材料是導(dǎo)電性能較好的銅或鋁，可以采用激光加工方法來制造。防粘著柱11可以通過沉積氧化鋁圖形化來實現(xiàn)。為了提供微轉(zhuǎn)子3和基體上導(dǎo)體間的絕緣，線圈或電極上都沉積有一層絕緣材料。
上定子2和下定子4上的懸浮穩(wěn)定線圈中通有高頻交流電以后，微轉(zhuǎn)子3在其上下表面電磁力的作用下，穩(wěn)定懸浮在上、下定子2，4組成的腔室中央。當(dāng)在旋轉(zhuǎn)線圈10中通有一定相位差的交流電后，穩(wěn)定懸浮后的微轉(zhuǎn)子3處在旋轉(zhuǎn)磁場中，因此無機械約束的微轉(zhuǎn)子3就會高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。高速轉(zhuǎn)動微轉(zhuǎn)子3的姿態(tài)角可以通過位于上下定子2，4上的傳感電極7檢測得到。
權(quán)利要求
1.一種雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，包括上基體(1)、上定子(2)、微轉(zhuǎn)子(3)、下定子(4)、下基體(5)、密封圈(6)，其特征在于上定子(2)設(shè)在上基體(1)上，和上基體(1)形成固定聯(lián)接，下定子(4)在下基體(5)上，和下基體(5)形成固定聯(lián)接，除了下定子(4)上有微轉(zhuǎn)子限位柱(12)外，上定子(2)和下定子(4)完全相同，在下基體(5)的外緣設(shè)有密封圈(6)，密封圈(6)和下基體(5)形成固定聯(lián)接，密封圈(6)和上基體(1)通過鍵合形成固定聯(lián)接，微轉(zhuǎn)子(3)在上定子(2)、下定子(4)磁場電磁力的作用下穩(wěn)定懸浮在上基體(1)、下基體(5)和密封圈(6)形成的封閉腔體內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，在下定子(4)上，由外而內(nèi)依次分布有穩(wěn)定懸浮線圈外圈(8)、傳感電極(7)、聯(lián)接線(13)、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(9)、旋轉(zhuǎn)線圈(10)、防粘著柱(11)、微轉(zhuǎn)子限位柱(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，旋轉(zhuǎn)線圈(10)位于下定子(4)最靠近中心的位置，在圓周方向上呈對稱分布，旋轉(zhuǎn)線圈(10)的外徑比環(huán)形微轉(zhuǎn)子(3)的內(nèi)徑大，為了形成旋轉(zhuǎn)磁場，相鄰旋轉(zhuǎn)線圈(10)電流相位差為90°，在每個旋轉(zhuǎn)線圈(10)內(nèi)部有防粘著柱(11)，防粘著柱(11)比穩(wěn)定懸浮線圈外圈(8)、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(9)、聯(lián)接線(13)構(gòu)成的穩(wěn)定懸浮線圈及傳感電極(7)高3到5個微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，每個穩(wěn)定懸浮線圈外圈(8)、聯(lián)接線(13)及穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(9)連接在一起，形成封閉的穩(wěn)定懸浮線圈，穩(wěn)定懸浮線圈共有4個，在圓周方向呈對稱分布，穩(wěn)定懸浮線圈位于下定子(4)的外側(cè)，每個穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)部都有一對傳感電極(7)，它們和微轉(zhuǎn)子(3)之間形成的電容值隨微轉(zhuǎn)子(3)的位置和姿態(tài)不同而變化，八個傳感電極(7)形成四個檢測電容檢測微轉(zhuǎn)子(3)的空間位置及姿態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，穩(wěn)定懸浮線圈外圈(8)直徑比微轉(zhuǎn)子(3)的外徑大，穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(9)的直徑比微轉(zhuǎn)子(3)的外徑小。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，其特征是，微轉(zhuǎn)子(3)為一個環(huán)形導(dǎo)體，環(huán)形導(dǎo)體的外緣處于穩(wěn)定懸浮線圈外圈(8)、穩(wěn)定懸浮線圈內(nèi)圈(9)之間，環(huán)形導(dǎo)體的內(nèi)徑比旋轉(zhuǎn)線圈(10)外徑小。
全文摘要
一種雙定子電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺，屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括上基體、上定子、微轉(zhuǎn)子、下定子、下基體、密封圈。微轉(zhuǎn)子是一種導(dǎo)電圓環(huán)。上、下基體上采用光刻電鍍方法制作的懸浮穩(wěn)定線圈，傳感電極，以及旋轉(zhuǎn)線圈。除了在下定子上有微轉(zhuǎn)子限位柱外，上定子的結(jié)構(gòu)和下定子完全相同。激光加工方法制作的環(huán)形微轉(zhuǎn)子采用導(dǎo)電性能好的材料制作而成。本發(fā)明提出的電磁懸浮轉(zhuǎn)子微轉(zhuǎn)動陀螺中引入了雙定子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能增加微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩以及整個微陀螺系統(tǒng)的抗沖擊能力，從而能提高測量精度，推廣微陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G01C19/06GK1818552SQ20061002450
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者陳文元, 吳校生, 趙小林, 張衛(wèi)平 申請人:上海交通大學(xué)