CN111885824A - 一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法，包括：柔性板、绝缘层、导电层、引出焊盘、X向磁场线圈、Y向磁场线圈和Z向磁场线圈。柔性板一侧的沿长方形长边方向阵列四组矩形线圈作为底层导电层；柔性板的另一侧沿长方形短边方向阵列多行线圈作为顶层导电层，多行线圈之间互相平行；柔性板两短边对接焊接使顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，且底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布。顶层导电层通电形成轴向均匀的静磁场，底层导电层通电产生交频磁场。本发明可以产生精确可控的磁场，避免手工绕制线圈产生的干扰磁场，有利于提高陀螺仪中原子极化率的控制。

Description

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法，属于量子仪表领域。

背景技术

原子惯性仪表具有体积小、功耗低、性能高等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。原子惯性仪表是通过检测原子核在磁场中自旋进动频率的改变来求解载体角速度的，其所涉及的磁场包括纵向的静磁场和横向的驱动磁场和剩磁补偿磁场，磁场由磁场线圈产生。通常，磁场线圈是采用在固定的绕线槽里手工绕制漆包线的方式构成。

而手工绕制漆包线这种加工方式由于在绕线角度、排线整齐度、带线力度和线头处理等方面都无法保证一致性，从而使得绕制的线圈存在一致性差、均匀性差，制作周期长等问题，甚至会出现手工绕制均匀性差、绕制形状无法固定、绕制圈数错误等重大问题。而且这些错误都不易被发现，从而给系统带来隐形的不稳定因素，影响系统性能。所以需要研究新的磁场线圈制作方法，以增加线圈绕制参数的可控性，提高线圈绕制质量和生产效率，保证磁场线圈的性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法，以解决上述加工方式存在的问题。本发明提供的这种方法制作的磁场线圈具有构造简单、紧凑，参数一致性好，装配简易的特点。

本发明的技术方案是：

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，包括：柔性板、绝缘层、导电层、引出焊盘、X向磁场线圈、Y向磁场线圈和Z向磁场线圈；

柔性板为长方形薄板；

柔性板的两侧均由内向外设置有导电层和绝缘层；

导电层包括：底层导电层和顶层导电层；

柔性板一侧的沿长方形长边方向阵列四组矩形线圈作为底层导电层；

柔性板的另一侧沿长方形短边方向阵列多行线圈作为顶层导电层，每行线圈的长度方向沿长方形长边方向设置；多行线圈之间互相平行；

柔性板两短边对接焊接形成圆筒结构，顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，螺旋线的轴线与所述圆筒结构的轴线重合；底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布；

底层导电层和顶层导电层通过引出焊盘和外部电源连接；

顶层导电层通电形成X向磁场线圈，X向磁场线圈用于产生轴向均匀的静磁场；

底层导电层通电形成Y向磁场线圈和Z向磁场线圈，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈用于产生交频磁场。

X向磁场线圈所产生磁场的正极沿所述圆筒结构的轴向。

Y向磁场线圈和Z向磁场线圈所产生磁场的正极均垂直于所述圆筒结构的轴向，且Y向磁场线圈和Z向磁场线圈所产生磁场的正极互相正交。

每组矩形线圈分别通过引脚和外部电源连接，不同组的矩形线圈之间实现电气隔离。

每组矩形线圈均包括多圈串联且共面的铜线，每圈铜线的构型均为矩形；两相邻的铜线之间不接触。

所述顶层导电层每行线圈的一端设置单面焊盘，顶层导电层每行线圈的另一端设置双面焊盘和焊孔；

两相邻行之间的线圈依次通过单面焊盘、双面焊盘和焊孔焊接，首尾相连形成空间螺旋线构型。

多行线圈沿长方形短边方向阵列成四组行线圈；位于外侧的两组行线圈的行数同为n，位于内侧的两组行线圈的行数同为m，且m小于n。m：n＝4：9。

交频磁场磁场强度是静磁场的1/100～1/1000倍；所述绝缘层材料为聚酰亚胺。

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板的制作方法，包括步骤如下：

1)在柔性板一侧通过刻蚀工艺获得四组矩形线圈作为底层导电层；

2)在柔性板另一侧通过刻蚀工艺获得沿长方形短边方向阵列的多行线圈作为顶层导电层；多行线圈之间互相平行；

3)柔性板两短边对接并焊接形成圆筒结构，使顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，螺旋线的轴线与所述圆筒结构的轴线重合；底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布；

4)将底层导电层和顶层导电层通过引出焊盘和外部电源连接；

5)对顶层导电层通电形成X向磁场线圈，X向磁场线圈用于产生轴向均匀的静磁场；

6)对底层导电层通电形成Y向磁场线圈和Z向磁场线圈，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈用于产生交频磁场。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明基于柔性板阵列多行线圈，形成空间螺旋线构型，通电产生轴向均匀的静磁场，磁场精确可控，避免手工绕制线圈产生的干扰磁场，有利于提高陀螺仪中原子极化率的控制；

2)本发明基于柔性板铺设四组矩形线圈，周向均布，能够产生对称均匀的交变磁场，有利于提高陀螺仪中原子极化率的控制。

附图说明

图1为本发明柔性电路板布线图；

图2为本发明实物正面示意图；

图3为本发明实物背面示意图。

具体实施方式

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板及制作方法，特点在于采用统一地电路板布线方式，双面布线，顶层走线构成四组线圈，用于产生纵向(X轴)的静磁场，底层走线构成鞍型线圈，用于产生横向的驱动磁场和剩磁补偿磁场，包括Y轴方向磁场和Z轴方向磁场。电路板线圈结构如下：

1)双面布线，顶层走线构成四组线圈，用于产生纵向(X轴)的静磁场，底层走线构成鞍型线圈，用于产生横向的驱动磁场和剩磁补偿磁场，包括Y轴方向磁场和Z轴方向磁场；

2)可以根据磁场产生要求，精确控制走线方式、线圈中心间距、线宽和线间距等参数；

3)走线连接处采用圆弧连接方式，避免电流突变引起磁场的非均匀性变化；

4)顶层、底层对称走线，减少非线圈部分走线引起的杂散磁场，实现磁场对消的效果；

5)采用单面焊盘6和双面焊盘5相结合的方式，将二维走线变为三维布线，用于产生三维空间磁场。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。图1给出了柔性电路板的布线示意图。该柔性电路板有两个走线层，分别为顶层走线1和底层走线2。顶层走线1构成X轴四组线圈。底层走线2构成Y轴线圈3和Z轴线圈4。双面焊盘5上设有通孔，通孔设置为长方形，以增加焊锡与焊盘的接触面积，通过焊锡将双面焊盘5和单面焊盘6进行连接，将二维走线变为三维布线，用于产生原子惯性仪表所需的三维空间磁场。引出焊盘7采用标准化接口设计，走线规则整齐，兼容性好，线圈安装时只需要利用定位孔8和过光窗口9进行定位安装，安装简易，整体结构紧凑。本发明实物示意如图2、图3所示。

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，包括：柔性板、绝缘层、导电层、引出焊盘7、X向磁场线圈、Y向磁场线圈和Z向磁场线圈；

柔性板为长方形薄板；

柔性板的两侧均由内向外设置有导电层和绝缘层；

导电层包括：底层导电层和顶层导电层；

柔性板一侧的沿长方形长边方向阵列四组矩形线圈作为底层导电层；

柔性板的另一侧沿长方形短边方向阵列多行线圈作为顶层导电层，每行线圈的长度方向沿长方形长边方向设置；顶层导电层的线圈粗细和底层导电层的线圈粗细相同。多行线圈之间互相平行。

柔性板两短边对接焊接形成圆筒结构，顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，螺旋线的轴线与所述圆筒结构的轴线重合；底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布；

底层导电层和顶层导电层通过引出焊盘7的引脚和外部电源连接；

顶层导电层通电形成X向磁场线圈，X向磁场线圈用于产生轴向均匀的静磁场；

底层导电层通电形成Y向磁场线圈和Z向磁场线圈，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈用于产生交频磁场。

X向磁场线圈所产生磁场的正极沿所述圆筒结构的轴向。

Y向磁场线圈和Z向磁场线圈所产生磁场的正极均垂直于所述圆筒结构的轴向，且Y向磁场线圈和Z向磁场线圈所产生磁场的正极互相正交。

每组矩形线圈分别通过引脚和外部电源连接，不同组的矩形线圈之间实现电气隔离。

每组矩形线圈均包括多圈串联且共面的铜线，每圈铜线的构型均为矩形；两相邻的铜线之间不接触。

所述顶层导电层每行线圈的一端设置单面焊盘6，顶层导电层每行线圈的另一端设置双面焊盘5和焊孔；

两相邻行之间的线圈依次通过单面焊盘6、双面焊盘5和焊孔焊接，首尾相连形成空间螺旋线构型。

多行线圈沿长方形短边方向阵列成四组行线圈；位于外侧的两组行线圈的行数同为n，位于内侧的两组行线圈的行数同为m，且m小于n，m：n＝4：9。

交频磁场磁场强度是静磁场的1/100～1/1000倍；所述绝缘层材料为聚酰亚胺。

柔性板开有贯通的孔洞，作为过光窗口9。柔性电路板包裹在陀螺仪线圈骨架的外表面，柔性电路板与加热体之间不接触。柔性板的材料为聚酰亚胺，陀螺仪线圈骨架的材料为聚酰亚胺。

一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板的制作方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)在柔性板一侧通过刻蚀工艺获得四组矩形线圈作为底层导电层；

2)在柔性板另一侧通过刻蚀工艺获得沿长方形短边方向阵列的多行线圈作为顶层导电层；多行线圈之间互相平行；

3)柔性板两短边对接并焊接形成圆筒结构，使顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，螺旋线的轴线与所述圆筒结构的轴线重合；底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布；

4)将底层导电层和顶层导电层通过引出焊盘7的引脚和外部电源连接；

5)对顶层导电层通电形成X向磁场线圈，X向磁场线圈用于产生轴向均匀的静磁场；

6)对底层导电层通电形成Y向磁场线圈和Z向磁场线圈，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈用于产生交频磁场。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，包括：柔性板、绝缘层、导电层、引出焊盘(7)、X向磁场线圈、Y向磁场线圈和Z向磁场线圈；

柔性板为长方形薄板；

柔性板的两侧均由内向外设置有导电层和绝缘层；

导电层包括：底层导电层和顶层导电层；

柔性板一侧的沿长方形长边方向阵列四组矩形线圈作为底层导电层；

柔性板的另一侧沿长方形短边方向阵列多行线圈作为顶层导电层，每行线圈的长度方向沿长方形长边方向设置；多行线圈之间互相平行；

柔性板两短边对接焊接形成圆筒结构，顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，螺旋线的轴线与所述圆筒结构的轴线重合；底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布；

底层导电层和顶层导电层通过引出焊盘(7)和外部电源连接；

顶层导电层通电形成X向磁场线圈，X向磁场线圈用于产生轴向均匀的静磁场；

底层导电层通电形成Y向磁场线圈和Z向磁场线圈，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈用于产生交频磁场。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，X向磁场线圈所产生磁场的正极沿所述圆筒结构的轴向。

3.根据权利要求2所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈所产生磁场的正极均垂直于所述圆筒结构的轴向，且Y向磁场线圈和Z向磁场线圈所产生磁场的正极互相正交。

4.根据权利要求1～3任意之一所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，每组矩形线圈分别通过引脚和外部电源连接，不同组的矩形线圈之间实现电气隔离。

5.根据权利要求4所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，每组矩形线圈均包括多圈串联且共面的铜线，每圈铜线的构型均为矩形；两相邻的铜线之间不接触。

6.根据权利要求1～3任意之一所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，所述顶层导电层每行线圈的一端设置单面焊盘(6)，顶层导电层每行线圈的另一端设置双面焊盘(5)和焊孔；

两相邻行之间的线圈依次通过单面焊盘(6)、双面焊盘(5)和焊孔焊接，首尾相连形成空间螺旋线构型。

7.根据权利要求6所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，多行线圈沿长方形短边方向阵列成四组行线圈；位于外侧的两组行线圈的行数同为n，位于内侧的两组行线圈的行数同为m，且m小于n。

8.根据权利要求7所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，m：n＝4：9。

9.根据权利要求8所述的一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板，其特征在于，交频磁场磁场强度是静磁场的1/100～1/1000倍；所述绝缘层材料为聚酰亚胺。

10.一种用于产生三维空间磁场的柔性电路板的制作方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)在柔性板一侧通过刻蚀工艺获得四组矩形线圈作为底层导电层；

2)在柔性板另一侧通过刻蚀工艺获得沿长方形短边方向阵列的多行线圈作为顶层导电层；多行线圈之间互相平行；

3)柔性板两短边对接并焊接形成圆筒结构，使顶层导电层的多行线圈焊接形成空间螺旋线构型，螺旋线的轴线与所述圆筒结构的轴线重合；底层导电层的四组矩形线圈以圆筒结构的轴线为中心轴周向均布；

4)将底层导电层和顶层导电层通过引出焊盘(7)和外部电源连接；

5)对顶层导电层通电形成X向磁场线圈，X向磁场线圈用于产生轴向均匀的静磁场；

6)对底层导电层通电形成Y向磁场线圈和Z向磁场线圈，Y向磁场线圈和Z向磁场线圈用于产生交频磁场。

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