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      抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計的制作方法

      文檔序號:6112075閱讀:113來源:國知局
      專利名稱:抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計的制作方法
      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)域的儀器,特別是一種抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計。
      背景技術(shù)
      從20世紀(jì)80年代末期到現(xiàn)在的二十多年時間里,國內(nèi)外科技工作者應(yīng)用微機(jī)械加工技術(shù)制造了多種形式的微機(jī)械加速度計,它們根據(jù)檢測質(zhì)量塊與襯底是否相連可以分為非懸浮式和懸浮式。非懸浮式的微加速度計的檢測質(zhì)量塊與襯底通過彈性支撐連接,由于制造工藝以及機(jī)械連接支撐受熱噪聲的影響,這種類型的微加速度計很難達(dá)到高分辨率。懸浮式微加速度計由于消除了熱噪聲對于支撐剛度的影響,理論上可以獲得極高的分辨率。目前,國內(nèi)外對于懸浮式微加速度計的研究為靜電懸浮微加速度計。
      經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),Michael Kraft等人在《Journal ofMicromechanics and Microengineering》(微機(jī)械和微工程雜志)(2001年11期423~427頁)上發(fā)表的“Modelling and design of an electrostaticallylevitated disc for inertial sensing applications”(用于慣性傳感應(yīng)用的靜電懸浮圓盤的建模和設(shè)計),該文提出將圓盤形檢測質(zhì)量塊應(yīng)用靜電控制方法懸浮用于加速度信號的檢測,其不足在于需要閉環(huán)控制電路才能正常工作,另外由于需要利用靜電力來克服重力實現(xiàn)懸浮,需要轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙很小時才能夠?qū)崿F(xiàn)因而對工藝要求高。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了一種抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,使其可開環(huán)工作或閉環(huán)控制工作,且相比靜電懸浮工藝要求較低。它可以同時檢測沿X、Y、Z軸的線加速度以及繞X、Y軸角加速度。
      本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的,本發(fā)明采用三明治結(jié)構(gòu)形式,由上、下定子和盤形導(dǎo)電永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成,上、下定子通過其上的三對弧形銅柱形成了轉(zhuǎn)子腔,轉(zhuǎn)子腔的中心為坐標(biāo)系OXYZ的原點(diǎn)、Z軸為重力方向,導(dǎo)電永磁轉(zhuǎn)子位于這個轉(zhuǎn)子空腔內(nèi),上、下定子通過其上的接線銅柱和其上的共晶鉛錫焊flip-chip鍵合實現(xiàn)電氣和機(jī)械連接。
      上定子包括磁導(dǎo)率低于1的抗磁性襯底熱解石墨或多晶石墨,襯底正面之上(鍵合后面對轉(zhuǎn)子面)設(shè)有絕緣層、傳感控制電容極板、公共電容極板、相應(yīng)的引線、接線銅柱和限位弧形銅柱,襯底背面之上的電鍍永磁體以及鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記(上定子上的電鍍永磁體沿厚度方向充磁)。下定子與上定子類似,包括抗磁性襯底和在其上正面的絕緣層、引線電極、傳感控制電容極板、公共電容極板、相應(yīng)的引線、接線銅柱、限位銅柱以及共晶鍵合用的鉛錫焊(PbSn),背面的鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記。
      永磁轉(zhuǎn)子采用稀土永磁材料釤鈷制作形狀是盤形,上定子的永磁體為電鍍稀土永磁鈷鎳錳磷形狀是環(huán)形,它們相對的磁極極性相反,即相互作用力為吸引力,這為永磁轉(zhuǎn)子提供了與重力方向相反的磁力(當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子處在與上下定子襯底面間隙相同位置時該磁場力基本抵消了重力)并且同時提供永磁轉(zhuǎn)子沿X、Y軸方向的穩(wěn)定力;釤鈷永磁轉(zhuǎn)子的磁性能較上定子永磁體強(qiáng),且它與抗磁性襯底的距離遠(yuǎn)小于與上定子永磁體的距離,這樣使得當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時,抗磁性襯底對轉(zhuǎn)子作用的沿Z軸方向和繞X、Y軸的角度方向的穩(wěn)定力大于上定子永磁體對其作用的擾動力,這樣永磁轉(zhuǎn)子實現(xiàn)了在上下定子間的自穩(wěn)定懸浮。
      本發(fā)明采用差分電容信號的變化來檢測永磁轉(zhuǎn)子相對上下定子的線位移和角位移,由于懸浮轉(zhuǎn)子與襯底沒有機(jī)械連接,相應(yīng)的信號采用公共電容耦合輸出到后續(xù)電路。各電容極板在上、下定子上的布置和形式相同,它們包括位于定子中央的圓形公共電容極板,之外均勻分布的用于檢測沿Z軸線位移和繞X、Y軸角位移的8塊扇形電容極板,以及最外面均勻分布的用于檢測沿X、Y軸線位移的4塊扇形電容極板。
      本發(fā)明在開環(huán)工作時,對各組差分電容施加不同頻率或多組頻率的高頻載波信號,并將公共電容連接至各組電荷積分前置放大器以及后續(xù)的基于Lock-in放大器原理的檢測電路,這樣就得到各線加速度和角加速度對應(yīng)的電壓信號;對于該器件的沿Z軸線加速度以及繞X、Y軸角加速度而言可采用閉環(huán)控制來提高器件的性能,其實現(xiàn)方法是將這三個加速度對應(yīng)輸出的電壓信號與設(shè)定值比較,根據(jù)需要給相應(yīng)電容極板施加直流控制電壓產(chǎn)生控制靜電力和力矩使得轉(zhuǎn)子相對于定子處在沿Z軸方向和繞X、Y軸的角度方向的零位,這樣相應(yīng)的控制電壓脈沖序列即為對應(yīng)的加速度信號,而對于沿X、Y軸方向的線加速度只采用開環(huán)工作模式。
      本發(fā)明是應(yīng)用永磁轉(zhuǎn)子與定子永磁體、永磁轉(zhuǎn)子與和抗磁襯底相互作用實現(xiàn)的抗磁性穩(wěn)定懸浮的新型懸浮式微機(jī)械加速度計。本發(fā)明與非懸浮形式的微加速度計相比可以達(dá)到更高分辨率,與靜電懸浮微加速度計相比對制作工藝和閉環(huán)控制要求降低。本發(fā)明的上下定子結(jié)構(gòu)適合采用微細(xì)加工方法實現(xiàn)。目前,因為微加工方法制作的由于還不能滿足轉(zhuǎn)子磁性能要求,所以永磁轉(zhuǎn)子采用精密加工得到。整個器件由于采用微加工技術(shù)和精密加工結(jié)合技術(shù)制成,具有尺寸小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該器件的在一個芯片上就可以能夠同時檢測3個線加速度和2個角加速度信號,具有很好的成本優(yōu)勢,另外它相比采用多個單自由度加速度計組合檢測避免了裝配問題。


      圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的等軸測結(jié)構(gòu)示意3為各電容極板示意4為傳感器結(jié)構(gòu)等效電路及施加的檢測載波具體實施方式
      如圖1、2所示,本發(fā)明為三明治式的結(jié)構(gòu),它們分別為下定子1、上定子2、永磁轉(zhuǎn)子3。下定子1和上定子2通過共晶鉛錫焊連接在一起,并形成空腔,永磁轉(zhuǎn)子3放置在此空腔內(nèi)。
      下定子1包括在抗磁性石墨襯底10正面的公共電容極板11,檢測X軸方向線加速度的電容極板12a、12b,檢測Y軸方向線加速度的電容極板13a、13b,檢測Z軸方向線加速度和繞X軸的角加速度的電容極板15a、15b、15c、15d,檢測Z軸方向線加速度和繞Y軸的角加速度的電容極板14a、14b、14c、14d,引線電極16,上下定子連接的接線柱17b和之上的鉛錫焊17a,用于限定永磁轉(zhuǎn)子X、Y軸方向位置及上下定子鍵合時保證Z軸方向間隙的限位柱18;另外在石墨襯底10的背面有鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記19。
      上定子2包括在抗磁性石墨襯底20正面的公共電容極板21,檢測X軸方向線加速度的電容極板22a、22b,檢測Y軸方向線加速度的電容極板23a、23b,檢測Z軸方向線加速度和繞X軸的角加速度的電容極板25a、25b、25c、25d,檢測Z軸方向線加速度和繞Y軸的角加速度的電容極板24a、24b、24c、24d,限定鉛錫焊并保證上下定子電氣導(dǎo)通的凹槽27,用于限定永磁轉(zhuǎn)子X、Y軸方向位置及上下定子鍵合時保證Z軸方向間隙的限位柱28;在上定子襯底20背面有電鍍環(huán)形永磁26和鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記29。
      上定子2背面的永磁體26為環(huán)形,永磁轉(zhuǎn)子3為盤形,它們相對的磁極極性相反。永磁轉(zhuǎn)子3的磁性能較上定子永磁體26強(qiáng),且永磁轉(zhuǎn)子3與抗磁性襯底10、20的幾十微米級距離為遠(yuǎn)小于與上定子永磁體26的幾毫米級距離。
      本發(fā)明器件檢測各加速度均采用開環(huán)工作模式時當(dāng)外界有X軸方向的線加速度輸入時,轉(zhuǎn)子相對上下定子將發(fā)生沿相應(yīng)X軸線方向的位移,它滿足等式ax=Kx*dxm,]]>式中ax為外界輸入的沿X軸方向的線加速度、Kx為永磁轉(zhuǎn)子3在磁場中的沿X軸方向的線性剛度、dx為沿X軸方向的位移、m為永磁轉(zhuǎn)子質(zhì)量,通過檢測dx對應(yīng)的差分電容變化即可求得ax,同理可得到外界輸入的Y、Z軸方向的線加速度;如外界有繞X軸方向的角加速度輸入,轉(zhuǎn)子相對上下定子將發(fā)生繞X軸線方向的角位移,它滿足等式&theta;&CenterDot;&CenterDot;x=KKx*&theta;xIx,]]>式中 為外界輸入的繞X軸方向的角加速度、KKx為永磁轉(zhuǎn)子3在磁場中繞X軸方向的角剛度、θx為繞X軸方向的角位移、Ix為永磁轉(zhuǎn)子繞X軸的轉(zhuǎn)動慣量,通過檢測θx對應(yīng)的差分電容變化即可求得 同理可得到外界輸入的繞Y軸線方向的角加速度。當(dāng)器件采用閉環(huán)控制方式檢測沿Z軸的線加速度和繞X、Y軸角加速度時,它們分別滿足az=Fzm,]]>&theta;&CenterDot;&CenterDot;x=MxIx,]]>&theta;&CenterDot;&CenterDot;y=MyIy,]]>以上各式中的Fz、Mx、My為控制轉(zhuǎn)子位于Z方向和繞X、Y軸的角度方向零位時施加的靜電控制力和力矩。
      如上所述,本發(fā)明采用相應(yīng)差分電容的變化來檢測所需信號,具體為對上下定子上的如圖3所示的電容極板上施加高頻載波信號,這些電容極板與永磁懸浮轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成相應(yīng)的檢測差分電容組,它們的等效電路如圖4所示,再將上下公共電容并聯(lián)輸出端Vcom連接到后續(xù)的電荷積分前置放大器和之后的基于Lock-in放大器原理的檢測電路,就可以得到轉(zhuǎn)子相對平衡位置的角位移和線位移對應(yīng)的電壓信號。圖4中的V1為檢測Z軸線位移的高頻載波、V2為檢測繞Y軸偏轉(zhuǎn)角位移的高頻載波、V3為檢測繞X軸偏轉(zhuǎn)角位移的高頻載波、V4為檢測X軸線位移的高頻載波、V5為檢測Y軸線位移的高頻載波;Vi和-Vi(i=1~5)表示幅值相同相位相反的載波信號。當(dāng)器件開環(huán)工作時,由這些電壓信號即可得到相應(yīng)加速度信號;當(dāng)器件閉環(huán)工作時,則14a~14d、15a~15d、24a~24d、25a~25d同時為施加反饋力和力矩的電容極板,當(dāng)有加速度輸入時根據(jù)檢測結(jié)果和需要對14a與14b、14c與14d、15a與15b、15c與15d、24a與24b、24c與24d、25a與25b、15c與15d的電容極板施加幅值相同、極性相反的直流電壓,將轉(zhuǎn)子控制在平衡位置,這時由對應(yīng)的直流控制電壓即可得到相應(yīng)加速度信號。
      權(quán)利要求
      1.一種抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,由下定子(1)、上定子(2)、永磁轉(zhuǎn)子(3)三層三明治結(jié)構(gòu)組成,下定子(1)和上定子(2)通過共晶鉛錫焊連接在一起,并形成空腔,永磁轉(zhuǎn)子(3)放置在此空腔內(nèi),其特征在于所述的下定子(1)包括石墨襯底(10),襯底(10)正面之上分布有共圓心的電容極板(11、12a、12b、13a、13b、14a、14b、14c、14d、15a、15b、15c、15d),之外是弧形限位柱(18),再外側(cè)是接線柱(17b)和接線柱上的鉛錫焊(17a),最外側(cè)是引線電極(16),襯底(10)背面是鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記(19);所述的上定子(2)包括石墨襯底(20),襯底(20)正面之上分布有共圓心的電容極板(21、22a、22b、23a、23b、24a、24b、24c、24d、25a、25b、25c、25d),之外是弧形限位柱(28),最外側(cè)是凹槽(27),襯底(20)的背面有與電容極板同心的環(huán)形永磁(26)和鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記(29)。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,其特征是上定子背面的永磁體(26)為環(huán)形,永磁轉(zhuǎn)子(3)為盤形,它們相對的磁極極性相反。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,其特征是永磁轉(zhuǎn)子(3)的磁性能較上定子永磁體(26)強(qiáng),且永磁轉(zhuǎn)子(3)與石墨襯底(10、20)的幾十微米級距離為遠(yuǎn)小于與上定子永磁體(26)的幾毫米級距離。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,其特征是下定子(1)包括在抗磁性石墨襯底(10)正面的公共電容極板(11),檢測X軸方向線加速度的電容極板(12a、12b),檢測Y軸方向線加速度的電容極板(13a、13b),檢測Z軸方向線加速度和繞X軸的角加速度的電容極板(15a、15b、15c、15d),檢測Z軸方向線加速度和繞Y軸的角加速度的電容極板(14a、14b、14c、14d),引線電極(16),上下定子連接的接線柱(17b)和之上的鉛錫焊(17a),用于限定永磁轉(zhuǎn)子X、Y軸方向位置及上下定子鍵合時保證Z軸方向間隙的限位柱(18),另外在石墨襯底(10)的背面有鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記(19)。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,其特征是上定子(2)包括在抗磁性石墨襯底(20)正面的公共電容極板(21),檢測X軸方向線加速度的電容極板(22a、22b),檢測Y軸方向線加速度的電容極板(23a、23b),檢測Z軸方向線加速度和繞X軸的角加速度的電容極板(25a、25b、25c、25d),檢測Z軸方向線加速度和繞Y軸的角加速度的電容極板(24a、24b、24c、24d),限定鉛錫焊并保證上下定子電氣導(dǎo)通的凹槽(27),用于限定永磁轉(zhuǎn)子X、Y軸方向位置及上下定子鍵合時保證Z軸方向間隙的限位柱(28),在上定子襯底(20)背面有電鍍環(huán)形永磁(26)和鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記(29)。
      全文摘要
      一種抗磁性懸浮永磁轉(zhuǎn)子微加速度計,屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用三明治結(jié)構(gòu)形式,由上、下定子和盤形導(dǎo)電永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成,上、下定子通過其上的三對弧形銅柱形成了轉(zhuǎn)子腔,轉(zhuǎn)子腔的中心為坐標(biāo)系OXYZ的原點(diǎn)、Z軸為重力方向,導(dǎo)電永磁轉(zhuǎn)子位于這個轉(zhuǎn)子空腔內(nèi),上、下定子通過其上的接線銅柱和其上的共晶鉛錫焊flip-chip鍵合實現(xiàn)電氣和機(jī)械連接。本發(fā)明的檢測質(zhì)量塊(永磁轉(zhuǎn)子)的穩(wěn)定懸浮是基于永磁體與永磁體、永磁體與抗磁體相互作用實現(xiàn)的。本發(fā)明的信號獲取是通過檢測差分電容的變化得到,對轉(zhuǎn)子的反饋力和反饋力矩控制是通過對相應(yīng)電容極板施加的直流控制電壓來實現(xiàn)。本發(fā)明可以同時檢測沿X、Y、Z軸的線加速度以及繞X、Y軸角加速度。
      文檔編號G01P15/18GK1831540SQ20061002587
      公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
      發(fā)明者陳文元, 劉武, 張衛(wèi)平 申請人:上海交通大學(xué)
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