CN100504297C - 内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺 - Google Patents

Abstract

一种内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，属于微机电系统技术领域。本发明中，稳定悬浮线圈、旋转线圈、传感电极都设在基体上，和基体形成固定联结，和基体形成固定联接，微转子在电磁力作用下悬浮在基体的上方，环形微转子在位于内侧的稳定悬浮线圈电磁力的作用下，获得稳定悬浮，位于外侧的旋转线圈产生旋转磁场，微转子在旋转磁场的作用下，产生旋转扭矩，作高速旋转，微转子的空间姿态可以通过传感电极检测出。本发明采用环形微转子内侧稳定悬浮结构，旋转线圈和传感电极可以移至定子的外侧，从而增大旋转线圈的作用面积和半径、传感电极的作用面积，进而提高旋转扭矩和微陀螺的测量精度。

Description

内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的陀螺，具体是一种内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺。

背景技术

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多种结构的微振动陀螺，但由于种种原因微振动陀螺很难达到传统陀螺的高精度。上世纪90年代，Shearwood等人提出了一种电磁悬浮微转动陀螺，电磁悬浮微转动陀螺是由平面线圈、感应电极和微转子等主要部分组成的，其中平面线圈根据其功能不同又分成悬浮线圈、旋转线圈和稳定线圈三种。电磁悬浮微转动陀螺是依靠电磁感应原理和电磁力理论得以悬浮和旋转的，平面线圈上方放有微转子，悬浮线圈位于最靠近中心的位置，紧靠悬浮线圈的是旋转线圈，旋转线圈可分为多相，微转子处于旋转磁场中，处于定子线圈最外围的是稳定线圈，定子线圈之间还分布着有传感电容电极。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为：5955800，名称为：悬浮系统(Leivitation Systems)。该专利文中提到该系统是以下几个部分组成的：a)最大直径为1500μm的高导电率体；b)悬浮力产生装置；c)使转子旋转的微型装置。这种电磁悬浮转子微陀螺中，悬浮线圈、旋转线圈、稳定线圈是串联在一起的，悬浮线圈在最内侧，旋转线圈处于中间部位，稳定线圈位于最外侧。它利用稳定线圈在微转子外侧的电磁场边缘效应，产生稳定悬浮。平面线圈串联式电磁悬浮微转动陀螺存在以下的不足：1.在串联式线圈中需要通过两种不同频率的高频电流，这增加了控制电路的复杂性；2.稳定悬浮驱动电磁场和旋转驱动电磁场在空间上重叠在一起，因此增加了它们之间的相互干扰；3.旋转电磁场在整个半径长度方向上都有分布，但半径较大处的旋转电磁场起到绝大部分的作用。这种系统针对直径为520微米，厚度为12微米的转子，得到的最大转速为1000转每分。该转速远远达不到高精度微陀螺的要求。为了得到高精度的陀螺，需要有新型定子线圈的结构，从而进一步提高微转子的悬浮稳定性和旋转转速。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺。采用线圈分离式结构，将稳定悬浮线圈放置在定子靠近中央的位置上，利用稳定线圈电磁场在环形转子内侧的边缘效应，产生稳定悬浮。将旋转线圈放置在定子的最外侧，这样增加了旋转线圈电磁场的空间占有体积和电磁力作用力矩，从而增大微转子的旋转扭力矩。新型结构能大大提高微转子的转速，解决了背景技术的不足。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：微转子、稳定悬浮线圈、旋转线圈、传感电极、基体。稳定悬浮线圈是由稳定悬浮线圈外圈、稳定悬浮线圈内圈、连接线三部分组成。连接关系为：稳定悬浮线圈内圈、稳定悬浮线圈外圈、连接线、传感电极、旋转线圈都设在基体上，和基体形成固定联接，微转子在电磁力作用下悬浮在基体的上方，微转子呈圆环形，稳定悬浮线圈内圈和稳定悬浮线圈外圈通过连接线连接。

本发明中，采用线圈分离式结构，稳定悬浮线圈和旋转线圈是各自分开的，这种结构不仅减弱了两种线圈电磁场之间的干扰，而且两个线圈中的电流可以单独控制，这降低了控制电路的设计难度。在本发明结构中，微转子是一种圆环形结构，将悬浮稳定线圈放置在最内侧，利用环形微转子内侧电磁场的边缘效应，来获得微转子的稳定悬浮。这种结构为旋转线圈在定子的外侧腾出空间，可将旋转线圈传感电极放置在微转子的外侧，这种结构增大了旋转电磁场的作用面积，同时也增加了旋转电磁力的作用半径，从而增大旋转扭力矩，进而可增加微转子的转速。它还增大了传感电极的极板面积，这样可以增加传感电极的检测精度。

目前，MEMS微陀螺大多都是采用哥氏加速度效应的微振动陀螺。这些微陀螺不足之处是测量精度不高，远远赶不上传统大尺度陀螺，从而限制了这些陀螺的推广应用。本发明提出的内稳悬浮环形转子微转动陀螺将稳定悬浮线圈置于定子的内侧，将旋转线圈设置在定子的外侧，这种结构可大大提高微转子的旋转扭矩，进而提高微转子的转速，从而得到高精度的MEMS微陀螺。本发明得到的高精度微陀螺能将MEMS微陀螺的应用领域推广到航空、航天、航海以及其他的要求高精度的惯性导航系统。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2是本发明微陀螺的稳定悬浮俯视图；

图3是本发明微陀螺的旋转线圈和传感电极的视图；

图4是本发明微陀螺旋微转子的空间视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：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不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：微转子1、稳定悬浮线圈2、旋转线圈3、传感电极4、基体5。如图2所示，稳定悬浮线圈2是由稳定悬浮线圈外圈6、稳定悬浮线圈内圈7、连接线8三部分组成。连接关系为：稳定悬浮线圈2、旋转线圈3、传感电极4都设在基体5上，和基体5形成固定联结，微转子1在电磁力作用下悬浮在基体5的上方，微转子1呈圆环形，稳定悬浮线圈外圈6和稳定悬浮线圈内圈7通过连接线8连接。

如图2所示，在基体5上由外而内分布有稳定悬浮线圈外圈6、连接线8和稳定悬浮线圈内圈7，三者形成一个封闭的多圈稳定悬浮线圈2，稳定悬浮线圈2共4个，在圆周方向上呈轴对称分布。稳定悬浮线圈2的引线采用埋层技术制作在底层，从底部引出。稳定悬浮线圈2尺寸由微转子1的尺寸共同决定，稳定悬浮线圈外圈6直径要比环形微转子1的内径大，稳定悬浮线圈内圈7直径比环形微转子1内径小。当在稳定悬浮线圈2内通过高频电流时，根据电磁场理论，处于稳定悬浮线圈2上方的微转子1就会受到感应电磁力的作用。稳定悬浮线圈内圈7电磁场在微转子1上感应出的电磁力分布于微转子1的内侧边缘，且倾斜向外。稳定悬浮线圈外圈6磁场产生的电磁力位于微转子1内部，且接近为轴对称分布。稳定悬浮线圈2产生的分布电磁力的合力方向向上，使得微转子1得以悬浮。当微转子1的中心处于基体5的中心位置时，分布电磁力的侧向分力相互抵消，合力为竖直向上。当微转子1相对基体5中心存在偏心时，电磁力的侧向分力不再抵消，产生的侧向力方向指向转子中心，使得微转子1不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

如图3所示，基体5上分布有八块旋转线圈3，在每个旋转线圈3的内部有一块传感电极4，共八块。处于旋转线圈3内部的一块传感电极4和相邻的一块组成一个检测电容，该检测电容和对侧的一对电极组成检测电容形成一个差分电容，一个差分电容能检测该方向上的微转子1偏转角度。八块电容极板能检测两个方向上的偏转角度。

八个旋转线圈3可以分成两组四相线圈，当在旋转线圈3内通过高频交变电流，相邻线圈的电流相位差90度，这样，在微转子1所在空间内形成旋转磁场，微转子1在旋转磁场的作用下，产生高速旋转。每个传感电极4和旋转线圈3的引线也是采用埋层技术制作在稳定悬浮线圈2、旋转线圈3或传感电极4的底层，从底层引出。

如图4所示，微转子1呈圆环形，环形微转子1的内圈尺寸是由悬浮稳定线圈内圈6和悬浮稳定线圈外圈7两者的尺寸决定，它比悬浮稳定线圈内圈6的半径要大，比悬浮稳定线圈外圈7的半径要小。微转子1采用导电性能较好的金属材料制作而成。微转子1的外径从几百微米到几千微米不等，厚度可为几十微米。

稳定悬浮线圈2、旋转线圈3和传感电极4都是平面结构，材料一般采用导电性能较好的铜，采用光刻电镀微细加工方法制造。为了减小电磁能量的耗散，基体5材料采用导磁性能较好的铁氧体。微转子1的材料是导电性能较好的铜或铝，可以采用激光加工方法或光刻成模电镀的方法来制造。为了提供微转子2和基体6上导体间的绝缘，稳定悬浮线圈2、旋转线圈3或传感电极4上有一层绝缘材料起绝缘作用。

Claims (7)

1、一种内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，包括：微转子(1)、稳定悬浮线圈(2)、旋转线圈(3)、传感电极(4)、基体(5)，稳定悬浮线圈(2)是由稳定悬浮线圈外圈(6)、稳定悬浮线圈内圈(7)、连接线(8)三部分组成，其特征在于，稳定悬浮线圈(2)、旋转线圈(3)、传感电极(4)都设在基体(5)上，和基体(5)形成固定联结，微转子(1)在电磁力作用下悬浮在基体(5)的上方，微转子(1)呈圆环形，稳定悬浮线圈外圈(6)和稳定悬浮线圈内圈(7)通过连接线(8)连接；

所述的基体(5)上分布有八块旋转线圈(3)，在每个旋转线圈(3)的内部有一块传感电极(4)，共八块，处于旋转线圈(3)内部的一块传感电极(4)和相邻的一块组成一个检测电容，该检测电容和对侧的一对电极组成检测电容形成一个差分电容，一个差分电容能检测微转子(1)径向上的偏转角度，八块电容极板能检测两个方向上的偏转角度。

2、根据权利要求1所述的内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，其特征是，在所述基体(5)上由外而内分布有稳定悬浮线圈外圈(6)、连接线(8)和稳定悬浮线圈内圈(7)，三者形成一个封闭的多圈稳定悬浮线圈(2)，稳定悬浮线圈(2)共4个，在圆周方向上呈轴对称分布，稳定悬浮线圈(2)的引线设置在底层，从稳定悬浮线圈(2)底部引出。

3、根据权利要求1或2所述的内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，其特征是，所述的稳定悬浮线圈(2)尺寸由微转子(1)的尺寸共同决定，稳定悬浮线圈外圈(6)直径比环形微转子(1)的内径大，稳定悬浮线圈内圈(7)直径比环形微转子(1)内径小。

4、根据权利要求1或者2所述的内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，其特征是，所述的稳定悬浮线圈内圈(7)电磁场在微转子(1)上感应出的电磁力分布于微转子(1)的内侧边缘，且倾斜向外，稳定悬浮线圈外圈(6)磁场产生的电磁力位于微转子(1)内部，且接近为轴对称分布，稳定悬浮线圈(2)产生的分布电磁力的合力方向向上，使得微转子(1)得以悬浮，当微转子(1)的中心处于基体(5)的中心位置时，分布电磁力的侧向分力相互抵消，合力为竖直向上，当微转子(1)相对基体(5)中心存在偏心时，电磁力的侧向分力不再抵消，产生的侧向力方向指向转子中心，使得微转子(1)不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

5、根据权利要求1所述的内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，其特征是，所述的旋转线圈(3)共有八个，它们分成两组四相线圈，当在旋转线圈(3)内通过高频交变电流，相邻线圈的电流相位差90度，这样在微转子(1)所在空间内形成旋转磁场，微转子(1)在旋转磁场的作用下，产生高速旋转，每个传感电极(4)和旋转线圈(3)的引线设在在旋转线圈(3)及传感电极(4)的下层，从底层引出。

6、根据权利要求1所述的内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，其特征是，所述的稳定悬浮线圈(2)、旋转线圈(3)和传感电极(4)都是平面结构。

7、根据权利要求1或6所述的内稳电磁悬浮环形转子微转动陀螺，其特征是，所述的稳定悬浮线圈(2)、旋转线圈(3)或传感电极(4)上有一层绝缘材料。

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