CN101043190B - 定子内嵌式电磁悬浮微系统 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统技术领域的定子内嵌式电磁悬浮微系统，包括圆盒形微悬浮质量、上定子、中间基体、下定子、引线、中间柱、下基体。上定子和下定子完全相同，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。圆盒形微悬浮质量在上定子和下定子的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体的外缘。定子内嵌式电磁悬浮微系统采用了圆盒形微悬浮质量和定子内嵌式结构，该结构可增加微悬浮质量的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在圆盒形微悬浮质量不工作的时候起到对其进行限位的作用，更适合在微陀螺、微惯性测量单元等MEMS器件领域中的应用，解决了背景技术的不足。

Description

定子内嵌式电磁悬浮微系统

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种定子内嵌式电磁悬浮微系统。

背景技术

采用悬浮技术可避免由于接触带来的磨擦和磨损，从而得到高的移动速度或转速，同时还能避免由于接触而造成对材料的污染，因此悬浮技术在生产或生活中应用得较多，如磁浮列车、静电悬浮轴承、电磁悬浮冶炼技术、静电陀螺等。电磁悬浮完全是一种无源悬浮技术，即它不需要外加反馈控制电路而实现自主悬浮，同时电磁悬浮对电极间的间隙没有严格要求，与静电悬浮相比，电磁悬浮装置结构简单，控制电路不复杂，对结构尺寸精度要求不高。

在微机电系统领域中，由于结构的表面积体积比较宏观结构要大得多，因此表面张力引起的表面粘着会十分严重，从而造成的微结构表面磨擦或磨损会更为显著，进而带来结构的破坏和使用寿命的缩短。在微机电系统中采用电磁悬浮机理来支承可运动结构，可以彻底避免这种由于表面接触所带来的磨擦和磨损。

电磁悬浮微系统可以在微陀螺、微加速度计、微气压计、微粘度计等领域得到广泛应用。电磁悬浮微系统由于引入了无接触的悬浮结构，避免了接触带来的磨擦和磨损，因此可以得到极高转子旋转速度的微陀螺，和极高分辨率的微加速度计。利用这种悬浮装置，还可以开发精度极高的微加速度计、微气压计、微粘度计等高精度传感装置。

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。这种电磁悬浮微系统中，采用的是单定子结构，并且悬浮线圈、稳定线圈是串联在一起的。它利用稳定悬浮线圈的外圈电磁场在微转子外边缘的边缘效应，使微转子得到稳定的悬浮。这种单定子的电磁悬浮微系统存在以下不足：1.由于只能单边悬浮驱动，因此整个装置的悬浮稳定性不好，稳定悬浮抗干扰性差；2.随着稳定悬浮线圈中电流的增大，微转子悬浮高度增大，因此悬浮体侧向刚度可调性不好；3.需要专门的限位装置，使得微转子在不工作的时候能够停留在定子中心的附近，便于下次重新启动。他们利用这种电磁悬浮装置开发了一种微转动陀螺，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。他们并且分析了转速不能提高的原因是，微转子转速提高引起的离心力将微转子甩出平衡位置。为了提高微转子的转速，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侧向稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种定子内嵌式微悬浮系统。使其采用了圆盒形微悬浮质量和定子内嵌式结构，该结构可增加微悬浮质量的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在圆盒形微悬浮质量不工作的时候起到对其进行限位的作用，更适合在微陀螺、微惯性测量单元等MEMS器件领域中的应用，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：圆盒形微悬浮质量、上定子、下定子、下基体、中间基体、引线、中间柱，其中上定子和下定子都是由稳定悬浮线圈内圈、稳定悬浮线圈外圈、连接线组成。连接关系为：上定子和下定子都制作在中间基体上，并与中间基体形成固定连接，稳定悬浮线圈内圈和稳定悬浮线圈外圈通过连接线进行连接，中间基体和下基体通过中间柱形成固定连接；引线分布于中间柱的外缘，并与中间柱形成固定连接。圆盒形微悬浮质量在上定子和下定子电磁力的作用下，稳定悬浮在中间基体的外侧，圆盒形微悬浮质量和中间基体之间存在固定的间隙。

本发明中，采用线圈分离式结构，通过稳定悬浮线圈内圈电流的感应电磁力侧向分力，为圆盒形微悬浮质量提供侧向稳定性，上定子和下定子上分别有四个稳定悬浮线圈内圈，这八个稳定悬浮线圈在圆盒形微悬浮质量上产生的电磁力就如同存在八个无形的支撑，将圆盒形微悬浮质量稳定地固定在中间基体的外围，随着稳定悬浮线圈中电流的增大，圆盒形微悬浮质量和中间基体之间的间隙没有明显的变化，但圆盒形微悬浮质量上的感应电磁力侧向分量在增加，因此，采用这种结构能大大增加电磁悬浮体的自稳稳定性。在本发明结构中，微悬浮质量是一种上下表面为圆环形结构的圆盒形体，将悬浮稳定线圈放置在最内侧，利用环形转子表面内侧电磁场的边缘效应，来获得微悬浮质量的稳定悬浮。采用圆盒形微悬浮质量，可以增加悬浮体外缘侧面面积和底面面积，从而为进一步利用侧面和底面进行检测和驱动成为可能。

本发明提出的定子内嵌式微悬浮系统，由于采用了电磁悬浮技术，克服了由于接触带来的磨擦和磨损；采用了圆盒形微悬浮质量和定子内嵌式结构，可增加圆盒形微悬浮质量的悬浮刚度和侧向稳定刚度，同时中间基体在圆盒形微悬浮质量不工作的时候起到对其进行限位的作用；可以应用于微惯性测量单元，MEMS器件旋转驱动装置等领域。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2是本发明定子内嵌式微悬浮系统的三维视图；

图3是本发明微悬浮系统的上定子或下定子线圈的俯视图；

图4是本发明圆盒形微悬浮质量的空间剖视图。

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和图2所示，本实施例包括：圆盒形微悬浮质量1、上定子2、中间基体3、下定子4、引线5、中间柱6、下基体7。

如图3所示，上定子2和下定子4完全相同，由稳定悬浮线圈外圈8、稳定悬浮线圈内圈9、连接线10三部分组成。连接关系为：上定子2和下定子4都设在中间基体3上，并与中间基体3形成固定联结，圆盒形微悬浮质量1在上定子2和下定子4的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体3的外缘，稳定悬浮线圈外圈8和稳定悬浮线圈内圈9通过连接线10连接。

如图3所示，在中间基体3上由外而内分布有稳定悬浮线圈外圈8、连接线10和稳定悬浮线圈内圈9，稳定悬浮线圈外圈8、连接线10和稳定悬浮线圈内圈9三者形成一个封闭的多圈稳定悬浮线圈，在上定子2和下定子4上各分部有4个，在圆周方向上呈轴对称分布。稳定悬浮线圈外圈8和稳定悬浮线圈内圈9的引线5采用埋层技术以及薄膜沉积微加工方法制作在上定子2、下定子4的底部以及中间柱6和下基体7上，从下基体7上引出，引线5位于中间柱6的外缘，和中间柱6形成固定连接，引线5从下基体7上引出。稳定悬浮线圈外圈8和稳定悬浮线圈内圈9的尺寸由圆盒形微悬浮质量1的尺寸共同决定，稳定悬浮线圈外圈8直径要比圆盒形微悬浮质量1的内径大，稳定悬浮线圈内圈9直径比圆盒形微悬浮质量1内径小。当在稳定悬浮线圈外圈8和稳定悬浮线圈内圈9内通过高频电流时，根据电磁场理论，处于中间基体3外侧的圆盒形微悬浮质量1就会受到感应电磁力的作用。稳定悬浮线圈内圈9电磁场在圆盒形微悬浮质量1上感应出的电磁力分布于圆盒形微悬浮质量1的内侧边缘，且倾斜向外。稳定悬浮线圈外圈8磁场产生的电磁力位于圆盒形微悬浮质量1内部，且接近为轴对称分布。稳定悬浮线圈外圈8产生的分布电磁力的合力方向向上，使得圆盒形微悬浮质量1得以悬浮。当圆盒形微悬浮质量1的中心处于中间基体3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。当圆盒形微悬浮质量1相对中间基体3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圆盒形微悬浮质量1中心，使得圆盒形微悬浮质量1回到中心位置，不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

如图4所示，圆盒形微悬浮质量1呈中空的圆形盒子形状，圆盒形微悬浮质量1的内径是由稳定悬浮线圈内圈9和稳定悬浮线圈外圈8两者的尺寸决定，它比稳定线圈悬浮内圈9的直径大，比稳定悬浮线圈外圈8的直径小。圆盒形微悬浮质量1采用导电性能较好的金属材料制作而成。圆盒形微悬浮质量1的外径从几百微米到几千微米不等，厚度可为几个微米到几十微米之间。

稳定悬浮线圈外圈8、连接线10、稳定悬浮线圈内圈9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，中间基体3材料采用导磁性能较好的铁氧体。圆盒形微悬浮质量1的材料是导电性能较好的铜或铝，可以光刻成模电镀和牺牲层微细加工工艺来制造。为了提供圆盒形微悬浮质量1和中间基体3上导体间的绝缘，线圈上有一层绝缘材料起绝缘作用。

本实施例具有以下特点：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圆环形微悬浮质量内侧的边缘效应，产生稳定悬浮；采用圆盒形微悬浮质量，从而，定子就可以制作在圆盒形微悬浮质量的内腔中，另外，这种结构在没有显著增加微悬浮质量体积的前提下，大大增加了微悬浮质量侧壁的厚度，为通过侧壁进行驱动或检测提供可能；采用双定子结构，增加了圆盒微悬浮质量受到的电磁力，从而增大悬浮刚度和稳定刚度；通过利用定子内嵌技术，在不需要上基体的情况下，实现了双定子结构；在定子内嵌式微悬浮质量系统中，微悬浮质量的悬浮高度是不变的，这种结构可以增加微悬浮质量的悬浮刚度，并且微悬浮质量的侧向刚度可调；采用定子内嵌式结构，可以将传感电极布置在上下基体材料上，这可以大大增加传感电极的面积，从而增大开发传感器的检测灵敏度；采用定子内嵌式结构，中间基体在不工作时起着对圆盒形微悬浮质量限位的作用，使得微转子在不工作的时候停留在工作点附近，便于下一次重新启动。因此，应用这种微悬浮质量系统可以大大提高微转子的转速和悬浮稳定性，从而更适合在微陀螺、微惯性测量单元等MEMS器件领域中的应用。

Claims (6)

1.一种定子内嵌式电磁悬浮微系统，包括：圆盒形微悬浮质量(1)，上定子(2)，中间基体(3)，下定子(4)，引线(5)，中间柱(6)，下基体(7)；上定子(2)和下定子(4)完全相同，分别由稳定悬浮线圈外圈(8)，稳定悬浮线圈内圈(9)，连接线(10)组成，其特征在于，上定子(2)和下定子(4)都设在中间基体(3)上，并与中间基体(3)形成固定联结，圆盒形微悬浮质量(1)在上定子(2)和下定子(4)的电磁力作用下稳定悬浮在中间基体(3)的外缘，稳定悬浮线圈外圈(8)和稳定悬浮线圈内圈(9)通过连接线(10)连接，引线(5)制作在上定子(2)的底部、下定子(4)的底部以及中间柱(6)和下基体(7)上，从下基体(7)上引出，引线(5)位于中间柱(6)的外缘，和中间柱(6)形成固定连接，所述圆盒形微悬浮质量(1)采用金属材料制作。

2.根据权利要求1所述的定子内嵌式电磁悬浮微系统，其特征是，在中间基体(3)上由外而内分布有稳定悬浮线圈外圈(8)、连接线(10)和稳定悬浮线圈内圈(9)，稳定悬浮线圈外圈(8)、连接线(10)和稳定悬浮线圈内圈(9)三者形成一个封闭的多圈稳定悬浮线圈，该多圈稳定悬浮线圈在上定子(2)和下定子(4)上各分布有4个，在圆周方向上呈轴对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的定子内嵌式电磁悬浮微系统，其特征是，所述稳定悬浮线圈外圈(8)和稳定悬浮线圈内圈(9)的尺寸由圆盒形微悬浮质量(1)的尺寸决定，稳定悬浮线圈外圈(8)直径比圆盒形微悬浮质量(1)的内径大，稳定悬浮线圈内圈(9)直径比圆盒形微悬浮质量(1)内径小。

4.根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮微系统，其特征是，所述稳定悬浮线圈外圈(8)和稳定悬浮线圈内圈(9)内通过高频电流时，处于中间基体(3)外侧的圆盒形微悬浮质量(1)就会受到感应电磁力的作用，稳定悬浮线圈内圈(9)电磁场在圆盒形微悬浮质量(1)上感应出的电磁力分布于圆盒形微悬浮质量(1)的内侧边缘，且倾斜向外；稳定悬浮线圈外圈(8)电磁场产生的电磁力位于圆盒形微悬浮质量(1)内部，且接近为轴对称分布，稳定悬浮线圈外圈(8)产生的电磁力的合力方向向上，使得圆盒形微悬浮质量(1)得以悬浮；当圆盒形微悬浮质量(1)的中心处于中间基体(3)的中心位置时，电磁力的侧向分力相互抵消，合力为竖直向上，当圆盒形微悬浮质量(1)相对中间基体(3)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圆盒形微悬浮质量(1)中心，使得圆盒形微悬浮质量(1)回到中心位置，不被抛出，最终得到稳定的悬浮。

5.根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮微系统，其特征是，所述圆盒形微悬浮质量(1)呈中空的圆形盒子形状，圆盒形微悬浮质量(1)的内径是由稳定悬浮线圈内圈(9)和稳定悬浮线圈外圈(8)两者的尺寸决定，它比稳定悬浮线圈内圈(9)的直径大，比稳定悬浮线圈外圈(8)的直径小。

6.根据权利要求1或者2所述的定子内嵌式电磁悬浮微系统，其特征是，所述圆盒形微悬浮质量(1)的外径为亚毫米或毫米量级。

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