专利名称：软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种悬浮转子微陀螺，特别是一种软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，用于微机电系统领域。
背景技术：
MEMS(微机电系统)技术与陀螺技术相结合促生了许多新颖微陀螺的产生，这种新颖微陀螺体积小，功耗小，成本低，具有自己独特优势。目前，使用MEMS技术制造的微陀螺主要集中在振动式微陀螺和悬浮转子式微陀螺上。振动式微陀螺检测质量系联在基体上，利用科氏加速度，通过驱动模态向检测模态的能量转换实现对外界输入角速度的测量。该种微陀螺因为模态和耦合误差问题、制造缺陷的影响、材料变化的影响等，提高其测量精度比较困难。悬浮转子微陀螺的利用高速旋转的刚体具有定轴性实现陀螺功能，其检测刚体悬浮并高速旋转，不需要机械支撑，可获得更高的精度。目前悬浮转子微陀螺主要利用电磁悬浮和静电悬浮。而本发明利用电磁悬浮原理。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为US 5955800，名称为悬浮系统(Leivitation Systems)的美国专利中提到的系统由高导电率体圆盘、电磁感应涡流悬浮力产生装置、电磁感应涡流转子旋转装置构成，该专利提到这种悬浮装置可以用在陀螺中，构成磁悬浮转子微陀螺，这是一种利用电磁悬浮原理的微陀螺，高频电磁涡流产生悬浮作用，其主要缺点是涡流发热严重，功耗大，高频电流的获得复杂，转子径向稳定性弱。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，使其利用电磁铁相吸、电感检测和反馈控制共同实现软磁转子的稳定悬浮，利用磁阻最小原理，利用定、转子双凸极轴向磁路走向磁阻最小的趋势，实现软磁转子的高速旋转，高速旋转的软磁转子具有定轴性，从而可实现陀螺效应。通过电感检测软磁转子位置，通过反馈力矩再平衡原理实现对外界输入角速度的测量。
本发明是通过以下技术方案具体实现的，本发明设置为三层三明治结构，分别为上定子结构层、下定子结构层、高磁导率软磁转子。上定子结构层和下定子结构层装配在一起，形成一个空腔，高磁导率转子设置在此空腔内。
本发明下定子结构层包括下定子基板，四个径向吸悬电磁铁对，四个径向吸悬电感检测元件，轴向吸悬组件，轴向磁路变磁阻旋转定子凸极线圈组件。其连接关系为在下定子基板设置四个径向吸悬电磁铁对，在每个径向吸悬电磁铁对之间设置径向吸悬电感检测元件。径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件设置在一个圆周上。在此圆周内侧，设置轴向吸悬组件，轴向吸悬组件由四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件构成，四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件设置在一个圆周上。轴向磁路变磁阻旋转定子凸极线圈组件设置在下定子基板的中心区域上。轴向磁路变磁阻旋转定子凸极线圈组件由14个线圈和带凸极的高磁导材料结构构成。线圈是平面结构。带凸极的高磁导材料结构由14个凸极设置在高磁导率圆环上而成。四个径向吸悬电磁铁对和四个径向吸悬电感检测元件所在圆周的圆心、四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件所在圆周的圆心与高磁导率圆环的圆心重合。四个径向吸悬电磁铁对和四个径向吸悬电感检测元件由U型高磁导率材料结构和方形螺旋线圈构成。四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件的部件组成由U型高磁导率材料结构和方形螺旋线圈构成。
本发明的上定子结构层包括四个轴向吸悬电磁铁对，四个轴向吸悬电感检测元件，上定子基板，线圈，带凸极的高磁导材料结构。其连接关系为四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件布置在上定子基板的表面的同一圆周上。14个线圈和带凸极的高磁导材料结构设置在上定子基板的表面上。带凸极的高磁导材料结构由14个凸极设置在高磁导率圆环上而成。四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件所在圆周圆心与高磁导率圆环的圆心重合。四个轴向吸悬电磁铁对和四个轴向吸悬电感检测元件的部件由U型高磁导率材料结构和方形螺旋线圈构成。
本发明的高磁导率软磁转子从内向外依次设置小圆柱、变磁阻旋转转子凸极、变磁阻旋转转子凸极间隙、轴向吸悬环面、径向吸悬圆周面。
本发明微陀螺工作时，四个径向吸悬电磁铁对通电，通过四个径向吸悬电感检测元件不断检测高磁导率软磁转子的径向位移，通过反馈控制实现高磁导率软磁转子的径向稳定；四个轴向吸悬电磁铁对通电，通过四个轴向吸悬电感检测元件不断检测高磁导率软磁转子的轴向位移，实现高磁导率软磁转子的轴向稳定。
上定子层结构和下定子结构层中的14个凸极外的14个线圈与含12个变磁阻旋转转子凸极的高磁导率软磁转子构成四相变磁阻微电机，利用磁阻最小原理工作，使高磁导率软磁转子高速稳定旋转。从而具有陀螺效应。
当外界输入角速度时，轴向吸悬电感检测元件检测到位移信息，通过反馈控制，给微陀螺施加反馈力矩，转子进动到与壳体平行的位置。通过力矩再平衡原理实现对外界输入量的测量。
本发明的设计时考虑了微细加工的要求。下定子结构层中还包括绝缘支撑材料，径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件安装区域、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域、凹孔腔。绝缘支撑材料设置在下定子基板上，绝缘支撑材料呈凹字型结构，凹孔腔设置在绝缘支撑材料的上表面中心处。径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件安装区域、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域设置在绝缘支撑材料中。这种结构的下定子结构层适合多层微细加工工艺加工。
上定子结构层中还包括绝缘支撑材料、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域。绝缘支撑材料设置在上定子基板上，绝缘支撑材料呈长方型结构。轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域设置在绝缘支撑材料中。
本发明利用电磁铁相吸实现稳定悬浮，电磁铁线圈直接通直流电，与现有的利用涡流的电磁悬浮方式相比，电源获取较为方便。通过设置径向悬浮电磁铁，使得径向悬浮刚度可调，且能保持较大的值，克服了现有的磁悬浮转子微陀螺径向刚度小且不可调的缺点。通过电感实现位置检测和反馈控制，与现有的利用微电容检测的位置的方式相比，不存在电击穿等现象，检测量程大。利用磁阻最小原理的变磁阻驱动旋转方式，较利用高频旋转电磁场产生涡流进行实现旋转的方式相比，转子热损耗小。本发明的设计考虑了微细加工的特点，特别适合多层微细加工工艺，具有尺寸小，功耗小，实现容易的特点。
图1 本发明总体结构示意2 本发明下定子结构层示意3 本发明下定子轴向吸悬与检测结构示意4 本发明上定子结构层示意5 本发明转子结构层示意6 本发明定子旋转凸极结构层示意7 本发明径向吸悬电磁铁对、径向吸悬电感检测元件结构示意8 本发明轴向吸悬电磁铁对、轴向吸悬电感检测元件结构示意9 本发明下定子结构截面示意10 本发明上定子结构截面示意图具体实施方式
如图1所示，本发明为三层三明治结构，分别为上定子结构层1、下定子结构层3、高磁导率软磁转子2。上定子结构层1和下定子结构层3装配在一起，形成一个空腔，高磁导率转子2设置在此空腔内。
如图2、3、6所示，本发明下定子结构层3包括下定子基板4，径向吸悬电磁铁对5、7、9、11，径向吸悬电感检测元件6、8、10、12，轴向吸悬组件13，线圈45，带凸极的高磁导材料结构14。其连接关系为在下定子基板4设置径向吸悬电磁铁对7、9、5、11，在每个径向吸悬电磁铁对之间设置径向吸悬电感检测元件12、8、10、6。径向吸悬电磁铁对7、9、5、11和径向吸悬电感检测元件12、8、10、6设置在一个圆周上。在此圆周内侧，设置轴向吸悬组件13。轴向吸悬组件13由轴向吸悬电磁铁对48、50、52、54和轴向吸悬电感检测元件49、51、53、55构成，轴向吸悬电磁铁对48、50、52、54和轴向吸悬电感检测元件49、51、53、55设置在一个圆周上。线圈45和带凸极的高磁导材料结构14设置在下定子基板4的中心区域上。14个线圈45设置在带凸极的高磁导材料结构14上。线圈45是平面结构。带凸极的高磁导材料结构14由14个凸极46设置在高磁导率圆环47上而成。径向吸悬电磁铁对7、9、5、11和径向吸悬电感检测元件12、8、10、6所在圆周的圆心、轴向吸悬电磁铁对48、50、52、54和轴向吸悬电感检测元件49、51、53、55所在圆周的圆心与高磁导率圆环47的圆心重合。
如图4、6所示，本发明上定子结构层1包括轴向吸悬电磁铁对16、20、18、22，轴向吸悬电感检测元件17、21、19、23，上定子基板15，线圈24，带凸极的高磁导材料结构25。其连接关系为轴向吸悬电磁铁对16、20、18、22和轴向吸悬电感检测元件17、21、19、23布置在上定子基板15的表面的同一圆周上。14个线圈24和带凸极的高磁导材料结构25设置在上定子基板15的表面上。带凸极的高磁导材料结构25由14个凸极30设置在高磁导率圆环31上而成。轴向吸悬电磁铁对16、20、18、22和轴向吸悬电感检测元件17、21、19、23所在圆周圆心与高磁导率圆环31的圆心重合。
如图7所示，径向吸悬电磁铁对7、9、5、11和径向吸悬电感检测元件12、8、10、6，由U型高磁导率材料结构33和方形螺旋线圈34构成。方形螺旋线圈34缠绕在U型高磁导率材料结构33之上。
如图8所示，轴向吸悬电磁铁对16、20、18、22和轴向吸悬电感检测元件17、21、19、23，轴向吸悬电磁铁对48、50、52、54和轴向吸悬电感检测元件49、51、53、55，由U型高磁导率材料结构35和方形螺旋线圈36构成。方形螺旋线圈36缠绕在U型高磁导率材料结构35之上。
如图5所示，本发明的高磁导率软磁转子2从内向外依次设置小圆柱32、变磁阻旋转转子凸极26、变磁阻旋转转子凸极间隙28、轴向吸悬环面27、径向吸悬圆周面29。高磁导率软磁转子2含12个变磁阻旋转转子凸极26。
本发明微陀螺工作时，径向吸悬电磁铁对7、9、5、11通电，通过径向吸悬电感检测元件12、8、10、6不断检测高磁导率软磁转子2的径向位移，通过反馈控制实现高磁导率软磁转子2的径向稳定；轴向吸悬电磁铁对16、20、18、22及轴向吸悬电磁铁对48、50、52、54通电，通过轴向吸悬电感检测元件17、21、19、23及轴向吸悬电感检测元件49、51、53、55不断检测高磁导率软磁转子2的轴向位移，实现高磁导率软磁转子2的轴向稳定。
上定子层结构层1凸极30上的线圈45和下定子结构层3中的凸极46上的线圈24与含12个变磁阻旋转转子凸极26的高磁导率软磁转子2构成四相变磁阻微电机，利用磁阻最小原理工作，使高磁导率软磁转子2高速稳定旋转。从而具有陀螺效应。
当外界输入角速度时，轴向吸悬电感检测元件17、21、19、23及轴向吸悬电感检测元件49、51、53、55检测到位移信息，通过反馈控制，给微陀螺施加反馈力矩，转子进动到与壳体平行的位置。通过力矩再平衡原理实现对外界输入量的测量。
如图9所示，下定子结构层3中还包括绝缘支撑材料37，径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件安装区域38、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域39、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域40、凹孔腔44。绝缘支撑材料37设置在下定子基板4上，绝缘支撑材料37呈凹字型结构，凹孔腔44设置在绝缘支撑材料37的上表面中心处。径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件安装区域38、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域40、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域39设置在绝缘支撑材料37中。这种结构的下定子结构层3适合多层微细加工工艺加工。
如图10所示，上定子结构层1中还包括绝缘支撑材料41、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域42、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域43。绝缘支撑材料41设置在上定子基板15上，绝缘支撑材料41呈长方型结构。轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域42、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域43设置在绝缘支撑材料41中。这种结构的上定子结构层1适合多层微细加工工艺加工。
权利要求
1.一种软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，包括上定子结构层(1)、高磁导率软磁转子(2)、下定子结构层(3)，上定子结构层(1)和下定子结构层(3)连接在一起，形成一个空腔，高磁导率转子(2)设置在此空腔内，其特征在于，上定子结构层(1)包括轴向吸悬电磁铁对(16、20、18、22)、轴向吸悬电感检测元件(17、21、19、23)、上定子基板(15)、线圈(24)、带凸极的高磁导材料结构(25)，轴向吸悬电磁铁对(16、20、18、22)和轴向吸悬电感检测元件(17、21、19、23)布置在上定子基板(15)的表面的同一圆周上，14个线圈(24)和带凸极的高磁导材料结构(25)设置在上定子基板(15)的表面上；下定子结构层(3)包括下定子基板(4)、径向吸悬电磁铁对(5、7、9、11)、径向吸悬电感检测元件(6、8、10、12)、轴向吸悬组件(13)、带凸极的高磁导材料结构(14)、线圈(45)，在下定子基板(4)设置径向吸悬电磁铁对(7、9、5、11)，在每个径向吸悬电磁铁对之间设置径向吸悬电感检测元件(12、8、10、6)，径向吸悬电磁铁对(7、9、5、11)和径向吸悬电感检测元件(12、8、10、6)设置在一个圆周上，在此圆周内侧，设置轴向吸悬组件(13)，线圈(45)和带凸极的高磁导材料结构(14)设置在下定子基板(4)的中心区域上，14个线圈(45)设置在带凸极的高磁导材料结构(14)上。
2.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，轴向吸悬组件(13)由轴向吸悬电磁铁对(48、50、52、54)和轴向吸悬电感检测元件(49、51、53、55)构成，轴向吸悬电磁铁对(48、50、52、54)和轴向吸悬电感检测元件(49、51、53、55)设置在一个圆周上。
3.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，带凸极的高磁导材料结构(25)由14个凸极(30)设置在高磁导率圆环(31)上而成，轴向吸悬电磁铁对(16、20、18、22)和轴向吸悬电感检测元件(17、21、19、23)所在圆周圆心与高磁导率圆环(31)的圆心重合。
4.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，带凸极的高磁导材料结构(14)由14个凸极(46)设置在高磁导率圆环(47)上而成，径向吸悬电磁铁对(7、9、5、11)和径向吸悬电感检测元件(12、8、10、6)所在圆周的圆心、轴向吸悬电磁铁对(48、50、52、54)和轴向吸悬电感检测元件(49、51、53、55)所在圆周的圆心与高磁导率圆环(47)的圆心重合。
5.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，径向吸悬电磁铁对(7、9、5、11)和径向吸悬电感检测元件(12、8、10、6)，由U型高磁导率材料结构(33)和方形螺旋线圈(34)构成，方形螺旋线圈(34)缠绕在U型高磁导率材料结构(33)之上。
6.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，轴向吸悬电磁铁对(16、20、18、22)和轴向吸悬电感检测元件(17、21、19、23)，轴向吸悬电磁铁对(48、50、52、54)和轴向吸悬电感检测元件(49、51、53、55)，由U型高磁导率材料结构(35)和方形螺旋线圈(36)构成。方形螺旋线圈(36)缠绕在U型高磁导率材料结构(35)之上。
7.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，高磁导率软磁转子(2)从内向外依次设置小圆柱(32)、变磁阻旋转转子凸极(26)、变磁阻旋转转子凸极间隙(28)、轴向吸悬环面(27)、径向吸悬圆周面(29)，高磁导率软磁转子(2)含12个变磁阻旋转转子凸极(26)。
8.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，下定子结构层(3)中还包括绝缘支撑材料(37)、径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件安装区域(38)、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域(39)、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域(40)、凹孔腔(44)，绝缘支撑材料(37)设置在下定子基板(4)上，绝缘支撑材料(37)呈凹字型结构，凹孔腔(44)设置在绝缘支撑材料(37)的上表面中心处，径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件安装区域(38)、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域(40)、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域(39)设置在绝缘支撑材料(37)中。
9.根据权利要求1所述的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，其特征是，上定子结构层(1)中还包括绝缘支撑材料(41)、轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域(42)、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域(43)，绝缘支撑材料(41)设置在上定子基板(15)上，绝缘支撑材料(41)呈长方型结构，轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件安装区域(42)、线圈和凸极及高磁导率圆环安装区域(43)设置在绝缘支撑材料(41)中。
全文摘要
一种微机电系统领域的软磁吸悬高速旋转刚体微陀螺，包括上定子结构层、高磁导率软磁转子、下定子结构层。上定子结构层中，轴向吸悬电磁铁对和轴向吸悬电感检测元件布置在上定子基板的表面的同一圆周上，线圈和带凸极的高磁导材料结构设置在上定子基板的表面上；下定子结构层中，在下定子基板设置径向吸悬电磁铁对，在每个径向吸悬电磁铁对之间设置径向吸悬电感检测元件，径向吸悬电磁铁对和径向吸悬电感检测元件设置在一个圆周上，在此圆周内侧，设置轴向吸悬组件，线圈和带凸极的高磁导材料结构设置在下定子基板的中心区域上，线圈设置在带凸极的高磁导材料结构上。本发明特别适合多层微细加工工艺，具有尺寸小，功耗小，实现容易的特点。
文档编号G01C19/02GK1710384SQ20051002733
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者张卫平, 陈文元, 赵小林, 段永瑞 申请人:上海交通大学