CN1920480A - 双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺 - Google Patents

Abstract

一种双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，属于微机电系统技术领域。本发明包括：上基体、上定子、微转子、下定子、下基体、密封圈。微转子是一种导电圆环。上定子设在上基体上，并和上基体形成固定联接；下定子设在下基体上，并和下基体形成固定联接；在下基体的外缘设有密封圈，并和下基体形成固定联接；密封圈和上基体通过键合工艺形成固定联接，在上定子和下定子上，由外而内均依次分布有稳定悬浮线圈外圈、传感电极、联接线稳定悬浮线圈内圈、旋转线圈，下定子中央还设有防粘着柱。本发明中引入了静电电极结构，这种结构能增加微转子悬浮后的侧向刚度及整个微陀螺系统的抗冲击能力，推广微陀螺的应用范围。

Description

双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺

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，具体是一种双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺。

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很多种微振动陀螺，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。在这种电磁悬浮微转动陀螺采用电磁力自稳结构。在电磁悬浮微转动陀螺中，当微转子相对定子处于中心位置的时候，微转子上感应的电磁力呈轴对称分布，从而其侧向分力为零。由于外界的干扰，使得微转子相对其定子线圈中心发生偏心位移，在微转子上感应的电磁力就会呈不对称分布，从而产生侧向分力，在设计合理的结构中，侧向分力的方向和转子偏离中心的方向相反，从而阻止微转子被抛出。这种由于微转子偏心而引起的电磁场分布不对称性，进而阻止微转子被抛出的稳定悬浮过程被称为微转子的自稳悬浮。微转子的自稳悬浮存在固有的不足，悬浮微转子的侧向刚度是由侧向力提供的，而侧向力的大小随着偏心量的增大而增大，因此微转子处于中心位置时的侧向刚度几乎为零，出于自稳悬浮状态的微转子抗干扰能力很差，外界稍有的扰动都会引起微转子在中心位置的摆动，这对电磁悬浮转子微陀螺的稳定工作是极为不利的。另外，处于自稳工作状态下电磁悬浮转子微陀螺要求侧向干扰不能太大，一旦侧向干扰力超过电磁力侧向分力极限的时候，微转子就会被抛出，失去平衡。这些不足限制了电磁悬浮微转动陀螺的应用领域。

检索中还发现，在杂志《Sensors and Actuators》(传感器与执行器)第83卷(2000年)85页的《Development of a levitated micromotor forapplication as a gyroscope》(悬浮式微马达在陀螺中的应用研究)文章中，Shearwood等人给出了单定子电磁悬浮微转动陀螺的研究成果。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。文中分析微转子转速不能进一步提高的原因之一是微转子旋转时存在偏心量，随着转速的提高，微转子的离心力增大，最终微转子在离心力的作用下被抛出，失去稳定的旋转。这是自稳工作状态下的电磁悬浮微转动陀螺固有的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，采用双定子三明治式结构，并在定子的周围分布有多个静电电极。通过静电电极提供的静电力来增加微转子的侧向刚度，双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺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：上定子、下定子、静电电极、密封圈、微转子。上定子设在上基体上，并和上基体形成固定联接；下定子设在下基体上，并和下基体形成固定联接；在下基体的外缘设有密封圈，并和下基体形成固定联接；密封圈和上基体通过键合工艺形成固定联接，微转子在上定子、下定子磁场电磁力的作用下稳定悬浮在上基体、下基体和密封圈形成的封闭腔体内。

本发明中，上定子和下定子是对称结构，在上定子和下定子上，由外而内均依次分布有稳定悬浮线圈外圈、传感电极、联接线稳定悬浮线圈内圈、旋转线圈，下定子中央还设有防粘着柱。上、下定子之间通过密封圈隔开，形成封闭的微转子工作腔体。在上、下定子的外侧轴对称分布有多个静电电极。在上、下定子上各分布有四个悬浮稳定线圈，悬浮稳定线圈在圆周方向上呈轴对称分布。悬浮稳定线圈磁场在微转子中感应的磁场力使微转子稳定悬浮在腔体的中央。在靠近上、下定子中心的位置上各有八个旋转线圈，旋转线圈产生的旋转磁场使微转子旋转。在每个悬浮稳定线圈的中都有两块传感电极，传感电极和微转子形成的电容用于微转子空间位置的检测。

在本发明结构中，微转子工作在上、下定子形成的空间磁场中，感应的电磁力将微转子“夹持”在腔体的中央，从而悬浮的微转子被控制在一定的高度，提高了微转子在高度方向上的抗冲击能力。随着稳定悬浮电流的增加，微转子在腔体中悬浮高度不会改变，但提高了微转子在竖直和水平方向上的刚度，微转子的悬浮高度以及在竖直和水平方向上的刚度可以通过改变上下定子悬浮稳定线圈的电流大小进行调节。高的水平方向上的刚度有利于微转子旋转速度的提高。双定子结构能大大增加旋转磁场产生的旋转扭矩，这是由于相比于单定子结构该结构增加了旋转线圈的数量，从而增加了旋转磁场的强度；另外，微转子被控制在很小的悬浮高度上，这能提高微转子的旋转扭矩。

当微转子稳定悬浮起来后，通过在定子外围分布的静电电极上施加反馈控制电压，静电电极周围的静电场在微转子上感应静电力。当上、下定子上的传感电极检测到微转子在侧向存在偏心的时候，通过在相应静电电极上增加电压，产生的静电力将微转子拉回到中央位置。这样可以提高处于悬浮状态下微转子的侧向刚度。采用静电力稳定的双定子结构的电磁悬浮微转动陀螺可以大大增加微转子的侧向抗干扰能力，该微转动陀螺能够工作在恶劣的环境下，以及能够工作在倾斜和竖直状态下，克服了自稳电磁悬浮微转动陀螺侧向刚度不足的缺陷。

对悬浮转子微转动陀螺的研究还是近十年的事情，现有技术中提到的电磁悬浮微转动陀螺采用的都是单定子结构，这种微转动陀螺的微转子转动速度不高，抗冲击能力很差，因此还不能达到实用的水平。本发明提出的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺通过上下定子磁场产生的电磁力以及静电电极的静电场产生的静电力限制了微转子在水平方向和竖直方向的自由度，通过在定子外围增加静电电极，可以大大增加微转子的侧向刚度，进而增加电磁悬浮转子微转动陀螺的抗冲击能力，使得电磁悬浮转子微转动陀螺能在很多领域得到应用，如军事武器的导航和制导、微惯性组合系统、微纳卫星的姿态控制、虚拟现实等。

附图说明

图1为本发明总体结构图

图2是本发明微陀螺的下定子空间视图；

图3是本发明微陀螺的悬浮稳定线圈、旋转线圈、传感电极及防粘着柱的俯视图；

图4是本发明微陀螺的旋转线圈、防粘着柱的空间视图；

图5是本发明微陀螺稳定悬浮线圈和传感电极的空间视图；

图6是本发明微陀螺的静电电极和密封圈的空间视图；

图7是本发明微陀螺的微转子空间视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：上基体1、上定子2、微转子3、下定子4、密封圈5、下基体6。上定子2采用微细加工方法制作在上基体1上，和上基体1形成固定联接。下定子4采用微细加工方法制作在下基体6上，和下基体6形成固定联接。除了在下定子4上制作有防粘着柱12外，下定子4的其他结构和上定子2完全相同。在下基体6的外缘采用微细加工方法制作有密封圈5，和下基体6形成固定联接。利用键合工艺，密封圈5和上基体1形成固定联接。微转子3在上定子2、下定子4磁场电磁力的作用下稳定悬浮在上基体1、下基体6和密封圈5形成的封闭腔体内。在上定子2和下定子4上，均由外而内依次分布有稳定悬浮线圈外圈7、传感电极8、联接线9、稳定悬浮线圈内圈10、旋转线圈11，下定子4中央还设有防粘着柱12。

如图2、3所示，在下定子4上，由外而内依次分布有稳定悬浮线圈外圈7、传感电极8、联接线9、稳定悬浮线圈内圈10、旋转线圈11、防粘着柱12。

如图4所示，旋转线圈11位于下定子4最靠近中心的位置，本发明的示例选用8个旋转线圈11，在圆周方向上呈对称分布。旋转线圈11的外径要比微转子3的内径大。为了形成旋转磁场，相邻旋转线圈电流相位差为90°。在每个旋转线圈内部有防粘着柱12，防粘着柱12比稳定悬浮线圈外圈7、联接线9、稳定悬浮线圈内圈10、旋转线圈11及传感电极8高3到5个微米。当微陀螺停止工作时，防粘着柱12可以减小微转子3和下定子4之间的接触面积，可以防止微转子3粘着的发生。

如图5所示，每个稳定悬浮线圈外圈7、联接线9及稳定悬浮线圈内圈10连接在一起，形成封闭的稳定悬浮线圈。稳定悬浮线圈共有4个，在圆周方向呈对称分布。稳定悬浮线圈位于下定子的外侧。稳定悬浮线圈外圈7直径比微转子的外径大，稳定悬浮线圈内圈10的直径比微转子的外径小。当在四个稳定悬浮线圈中通有相位和幅值相同的交变电流时，交变磁场在微转子3中会感应出电磁力。微转子3中央感应出的电磁力接近轴对称分布，其合力竖直向上，克服微转子3的所受到的重力作用。微转子3外侧电磁力也为倾斜的，当微转子3没有偏心的时候，微转子3外侧电磁力也接近轴对称分布，不存在水平方向的分力。当微转子在水平方向相对上、下定子2、4中心有偏离时，由于微转子外侧电磁力不再呈对称分布，会产生水平方向上的分力，分力方向指向圆心，可防止微转子被抛出。每个稳定悬浮线圈内部都有一对传感电极8，它们和微转子3之间形成的电容值随微转子3的位置和姿态不同而变化。八个传感电极8形成四个检测电容可以检测微转子3的空间位置及姿态。

如图6所示，在下定子4的外缘分布有静电电极13和密封圈5。密封圈5比静电电极13要高20到30微米。静电电极13共有八块，相邻的两块静电电极13形成一对静电电极。当传感电极8检测到微转子在某个方向上发生侧向位移后，通过对相应方向上的静电电极施加大小相同，极性相反的电压，从而对悬浮后的微转子3施加静电力，将微转子3拉回到中心位置。通过增加静电电极的常值电压，可以增加微转子3悬浮后的侧向刚度。静电电极13和密封圈都属于高深宽比结构，可以采用LiGA或UV-LiGA技术进行制造。

除了没有防粘着柱12，上定子2的其他结构和下定子4完全相同。由于上、下定子2、4都会产生电磁力，微转子3在电磁力的作用下，不但能约束了在水平方向上的运动，同时也约束了在竖直方向上的运动，大大增加了抗冲击能力。

如图7所示，微转子3为一个圆盘形导体，圆盘形导体的外缘处于稳定悬浮线圈外圈7、稳定悬浮线圈内圈10之间。

稳定悬浮线圈和传感电极都是平面结构，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，基体材料采用导磁性能较好的铁氧体微转子的材料是导电性能较好的铜或铝，可以采用激光加工方法来制造。防粘着柱可以通过沉积氧化铝的图形化刻蚀来实现。为了提供微转子和基体上导体间的绝缘，线圈或电极上都沉积有一层绝缘材料。

Claims (9)

1、一种双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，包括：上基体(1)、上定子(2)、微转子(3)、下定子(4)、密封圈(5)、下基体(6)，其特征在于：上定子(2)设在上基体(1)上，并和上基体(1)形成固定联接；下定子(4)设在下基体(6)上，并和下基体(6)形成固定联接；在下基体(6)的外缘设有密封圈(5)，并和下基体(6)形成固定联接；密封圈(5)和上基体(1)通过键合工艺形成固定联接，微转子(3)在上定子(2)、下定子(4)磁场电磁力的作用下稳定悬浮在上基体(1)、下基体(6)和密封圈(5)形成的封闭腔体内；在上定子(2)和下定子(4)上，由外而内均依次分布有稳定悬浮线圈外圈(7)、传感电极(8)、联接线(9)、稳定悬浮线圈内圈(10)、旋转线圈(11)，下定子(4)中央还设有防粘着柱(12)，在下定子(4)的外缘分布有静电电极(13)。

2、根据权利要求1所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，旋转线圈(11)位于下定子(4)最靠近中心的位置，在圆周方向上呈对称分布，旋转线圈(11)的外径比环形微转子(3)的内径大。

3、根据权利要求1所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，相邻旋转线圈(11)电流相位差为90°，在每个旋转线圈(11)内部有防粘着柱(12)。

4、根据权利要求1所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，防粘着柱(12)比稳定悬浮线圈外圈(7)、联接线(9)、稳定悬浮线圈内圈(10)、旋转线圈(11)及传感电极(8)高3到5个微米。

5、根据权利要求1所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，每个稳定悬浮线圈外圈(7)、联接线(9)及稳定悬浮线圈内圈(10)连接在一起，形成封闭的稳定悬浮线圈，稳定悬浮线圈共有4个，在圆周方向呈对称分布，稳定悬浮线圈位于下定子(4)的外侧，每个稳定悬浮线圈内部都有一对传感电极(8)，它们和微转子(3)之间形成的电容值随微转子(3)的位置和姿态不同而变化。

6、根据权利要求5所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，稳定悬浮线圈外圈(7)直径比微转子(3)的外径大，稳定悬浮线圈内圈(10)的直径比微转子(3)的外径小。

7、根据权利要求5或者6所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，微转子(3)为一个圆盘形导体，圆盘形导体的外缘处于稳定悬浮线圈外圈(7)、稳定悬浮线圈内圈(10)之间。

8、根据权利要求1所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，静电电极(13)共有八块，相邻的两块静电电极(13)形成一对静电电极。

9、根据权利要求1所述的双定子静电稳定电磁悬浮微转动陀螺，其特征是，密封圈(5)分布在下定子(4)的外缘，密封圈(5)比静电电极(13)高20到30微米。

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