專利名稱：磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種懸浮型方位微陀螺，特別是一種磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的二十多年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細(xì)加工技術(shù)或者體微細(xì)加工技術(shù)加工出了很多種微振動(dòng)陀螺，但由于種種原因微振動(dòng)陀螺很難達(dá)到傳統(tǒng)陀螺的高精度。上世紀(jì)90年代，Shearwood等人提出了一種磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺是由平面線圈、感應(yīng)電極和微轉(zhuǎn)子等主要部分組成的，其中平面線圈根據(jù)其功能不同又分成懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈和穩(wěn)定線圈三種。磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺是依靠電磁感應(yīng)原理和電磁力理論得以懸浮和旋轉(zhuǎn)的，平面線圈上方放有微轉(zhuǎn)子，懸浮線圈位于最靠近中心的位置，緊靠懸浮線圈的是旋轉(zhuǎn)線圈，旋轉(zhuǎn)線圈可分為多相，微轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，處于定子線圈最外圍的是穩(wěn)定線圈，定子線圈之間還分布著有傳感電容電極。作為角速度傳感器的陀螺除了要檢測(cè)出水平方向的角速度外還需要檢測(cè)垂直方向的角速度，然而水平懸浮結(jié)構(gòu)只能水平放置，它不能用來檢測(cè)垂直方向的角速度，這限制了它在方位陀螺上的運(yùn)用。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利號(hào)為5955800，名稱為懸浮系統(tǒng)(LeivitationSystems)。該專利文中提到該系統(tǒng)是以下幾個(gè)部分組成的a)最大直徑為1500μm的高導(dǎo)電率體；b)懸浮力產(chǎn)生裝置；c)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的微型裝置。該專利中還提到這種懸浮裝置還可以用在陀螺中。該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只適用于水平懸浮結(jié)構(gòu)。作為角速度傳感器的陀螺除了要檢測(cè)出水平方向的角速度外還需要檢測(cè)垂直方向的角速度，然而水平懸浮結(jié)構(gòu)只能水平放置，它不能用來檢測(cè)垂直方向的角速度，這限制了它在方位陀螺上的運(yùn)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，使其可以垂直放置，從而解決了背景技術(shù)的不足。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括兩邊的定子線圈和傳感電極、磁性襯底、左基體、右基體、防粘結(jié)柱、轉(zhuǎn)子支撐柱以及微轉(zhuǎn)子，其連接方式為定子線圈、傳感電極以及微轉(zhuǎn)子被密封在左右基體形成的腔體中，在左右基體上沉積有一定厚度的磁性襯底，在磁性襯底上電鍍定子線圈、傳感電極，沉積防粘結(jié)柱和轉(zhuǎn)子支撐柱，微轉(zhuǎn)子通過其中央的小孔設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐柱上。
在左基體、右基體上的定子中共有四相旋轉(zhuǎn)線圈、四相穩(wěn)定線圈和四塊電容極板，定子線圈通過電鍍?cè)O(shè)置在磁性襯底上面以減短磁場(chǎng)回路的長(zhǎng)度，降低功耗；為了防止微轉(zhuǎn)子和平面線圈發(fā)生接觸和碰撞，在磁性襯底上設(shè)有四個(gè)小柱子。
本發(fā)明采用了三明治式定子線圈夾轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，兩邊是定子線圈和傳感電極，微轉(zhuǎn)子被夾在中間，定子線圈包括穩(wěn)定線圈和旋轉(zhuǎn)線圈，穩(wěn)定線圈均勻分布在定子線圈的外圍，主要起懸浮起微轉(zhuǎn)子及調(diào)整微轉(zhuǎn)子位置的作用。雙邊的多相且單相多圈的旋轉(zhuǎn)線圈，其中各相中施加有依次相差一定相位的高頻電流，在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，使微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。雙邊多塊電容極板檢測(cè)電容可用來確定微轉(zhuǎn)子在腔體中的位置。
微轉(zhuǎn)子是中間帶孔的圓形金屬片。在水平磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺中微轉(zhuǎn)子主要是靠懸浮線圈產(chǎn)生的電磁力得以懸浮的，由于懸浮線圈產(chǎn)生的電磁力合力是沿線圈的軸線方向的，所以在轉(zhuǎn)子垂直放置的懸浮系統(tǒng)中懸浮線圈不再產(chǎn)生作用，本發(fā)明通過在穩(wěn)定線圈中施加不對(duì)稱電流來產(chǎn)生向上的分力來克服重力。在單個(gè)穩(wěn)定線圈中只有其內(nèi)側(cè)的一部分面積與微轉(zhuǎn)子正相對(duì)，故它的電磁場(chǎng)在微轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電磁力是斜向內(nèi)的。當(dāng)在單邊的四個(gè)線圈中加有相同大小的電流時(shí)，微轉(zhuǎn)子上的電磁力側(cè)向分力互相抵消掉了。通過在下側(cè)的穩(wěn)定線圈中施加較大的電流，上側(cè)的穩(wěn)定線圈中施加較小的電流，微轉(zhuǎn)子上就會(huì)產(chǎn)生向上的合力，該合力與微轉(zhuǎn)子所受重力抵消，使微轉(zhuǎn)子得以懸浮。
微轉(zhuǎn)子只有高速旋轉(zhuǎn)后才能在產(chǎn)生陀螺效應(yīng)的同時(shí)具有高抗干擾性。在磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺中，單邊定子上共有四相旋轉(zhuǎn)線圈，每相線圈通有相位依次相差90度的交流電，在微轉(zhuǎn)子所在空間中就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)受到旋轉(zhuǎn)力矩，使微轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。
微轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性指的是微轉(zhuǎn)子能穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)在腔體的中央，它的中心必須在定子線圈的中心線上，并且當(dāng)沒有外界角速度輸入時(shí)，轉(zhuǎn)子平面應(yīng)該和定子平面平行。本發(fā)明通過測(cè)量微轉(zhuǎn)子和電容極板之間的距離來確定微轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而調(diào)整各線圈中施加的電流，以控制微轉(zhuǎn)子的位置。
在微轉(zhuǎn)子的每側(cè)都均勻分布了四塊電容極板，通過這些電容極板之間的組合可以檢測(cè)微轉(zhuǎn)子在空間所處的位置。電容C1，C2，C3，C4可以測(cè)量出微轉(zhuǎn)子的側(cè)向位移。電容C5，C6，C7，C8可以測(cè)量微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。另外通過極板之間形成的電容可以檢測(cè)微轉(zhuǎn)子上下移動(dòng)的位移。
磁懸浮轉(zhuǎn)子微方位陀螺是通過微細(xì)加工方法來加工制造的，包括懸浮線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、穩(wěn)定線圈、電容極板、支撐柱等均采用光刻、電鑄等微加工工藝制造，微轉(zhuǎn)子采用蒸鋁的工藝加工。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明推廣了磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的運(yùn)用范圍，是可以垂直設(shè)置的懸浮系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)子支撐柱，雙邊定子的三明治式結(jié)構(gòu)，使該種微陀螺更加適宜于微細(xì)加工方法來制造與實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)大了在方位陀螺上的運(yùn)用范圍。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明單邊基體上的定子線圈結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明微轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明電容極板相互聯(lián)接方式示意圖具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明包括右基體1，兩邊的定子線圈及傳感電極2、4、8、10、11、13、15、17，磁性襯底6、14，左基體18、防粘結(jié)柱3、9、12、16，轉(zhuǎn)子支撐柱5以及微轉(zhuǎn)子7，其連接方式為定子線圈及傳感電極2、4、8、10、11、13、15、17和微轉(zhuǎn)子被密封在左基體18、右基體1形成的腔體中，在左基體18、右基體1上沉積有磁性襯底6、14，在磁性襯底上電鍍定子線圈及傳感電極，沉積防粘結(jié)柱3、9、12、16和轉(zhuǎn)子支撐柱5，微轉(zhuǎn)子7通過其中央的小孔設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐柱5上。
左基體18、右基體1上的定子設(shè)有四相旋轉(zhuǎn)線圈22、26、33、37，四相穩(wěn)定線圈19、24、28、35和四塊電容極板20、25、29、34。
本發(fā)明采用了三明治式定子線圈夾轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，兩邊是定子線圈及傳感電極2、4、8、10、11、13、15、17，微轉(zhuǎn)子7被夾在中間，每邊的定子線圈包括四相旋轉(zhuǎn)線圈22、26、33、37，四相穩(wěn)定線圈19、24、28、35，穩(wěn)定線圈219、24、28、35均勻分布在定子線圈的外圍，雙邊的多相且單相多圈的旋轉(zhuǎn)線圈22、26、33、37設(shè)置在各塊電容極板之間。
微轉(zhuǎn)子7是中間帶孔的圓形金屬片，在微轉(zhuǎn)子7的每側(cè)都均勻分布了四塊電容極板20、25、29、34。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，包括右基體(1)、兩邊的定子線圈及傳感電極(2)、(4)、(8)、(10)、(11)、(13)、(15)、(17)，磁性襯底(6)、(14)，左基體(19)，右基體(18)，防粘結(jié)柱(3)、(9)、(12)、(16)，轉(zhuǎn)子支撐柱(5)以及微轉(zhuǎn)子(7)，其特征在于，連接方式為定子線圈及傳感電極(2)、(4)、(8)、(10)、(11)、(13)、(15)、(17)和微轉(zhuǎn)子(7)被密封在左基體(18)、右基體(1)形成的腔體中，在左基體(18)、右基體(1)上沉積有磁性襯底(6)、(14)，在磁性襯底上電鍍定子線圈及傳感電極(2)、(4)、(8)、(10)、(11)、(13)、(15)、(17)，沉積防粘結(jié)柱(3)、(9)、(12)、(16)和轉(zhuǎn)子支撐柱(5)，微轉(zhuǎn)子(7)通過其中央的小孔設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐柱(5)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，其特征是，左基體(18)、右基體(1)上的定子設(shè)有四相旋轉(zhuǎn)線圈(22)、(26)、(33)、(37)，四相穩(wěn)定線圈(19)、(24)、(28)、(35)和四塊電容極板(20)、(25)、(29)、(34)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，其特征是，微轉(zhuǎn)子(7)是中間帶孔的圓形金屬片，在微轉(zhuǎn)子(7)的每側(cè)都均勻分布了四塊電容極板(20)、(25)、(29)、(34)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，其特征是，采用了三明治式定子線圈夾轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，兩邊是定子線圈及傳感電極(2)、(4)、(8)、(10)、(11)、(13)、(15)、(17)，微轉(zhuǎn)子(7)被夾在中間，各邊的定子線圈包括四相旋轉(zhuǎn)線圈(22)、(26)、(33)、(37)，四相穩(wěn)定線圈(19)、(24)、(28)、(35)，穩(wěn)定線圈(19)、(24)、(28)、(35)均勻分布在定子線圈的外圍，雙邊的多相且單相多圈的旋轉(zhuǎn)線圈(22)、(26)、(33)、(37)設(shè)置在各塊電容極板之間。
全文摘要
一種磁懸浮轉(zhuǎn)子方位微陀螺，屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括右基體，兩邊的定子線圈和傳感電極，磁性襯底，左基體，防粘結(jié)柱，轉(zhuǎn)子支撐柱以及微轉(zhuǎn)子，定子線圈、傳感電極以及微轉(zhuǎn)子被密封在左基體、右基體形成的腔體中，在左基體、右基體上沉積有磁性襯底，在磁性襯底上電鍍定子線圈、傳感電極，沉積防粘結(jié)柱和轉(zhuǎn)子支撐柱，微轉(zhuǎn)子通過其中央的小孔設(shè)置在轉(zhuǎn)子支撐柱上。本發(fā)明推廣了磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的運(yùn)用范圍，是可以垂直設(shè)置的懸浮系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)子支撐柱，雙邊定子的三明治式結(jié)構(gòu)，使該種微陀螺更加適宜于微細(xì)加工方法來制造與實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)大了在方位陀螺上的運(yùn)用范圍。
文檔編號(hào)H02N15/00GK1477374SQ0314154
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
發(fā)明者陳文元, 吳校生, 趙小林, 張衛(wèi)平 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)