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，屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的二十多年的時間里，國內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細加工技術(shù)或者體微細加工技術(shù)加工出了很多種微振動陀螺，但由于種種原因微振動陀螺很難達到傳統(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出水平方向的角速度外還需要檢測垂直方向的角速度，然而水平懸浮結(jié)構(gòu)只能水平放置，它不能用來檢測垂直方向的角速度，這限制了它在方位陀螺上的運用。
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號為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出水平方向的角速度外還需要檢測垂直方向的角速度，然而水平懸浮結(jié)構(gòu)只能水平放置，它不能用來檢測垂直方向的角速度，這限制了它在方位陀螺上的運用。

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，定子線圈通過電鍍設(shè)置在磁性襯底上面以減短磁場回路的長度，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，使微轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。雙邊多塊電容極板檢測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)定線圈中施加不對稱電流來產(chǎn)生向上的分力來克服重力。在單個穩(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，故它的電磁場在微轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的電磁力是斜向內(nèi)的。當(dāng)在單邊的四個線圈中加有相同大小的電流時，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)子所在空間中就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場，旋轉(zhuǎn)電磁場中的導(dǎo)體會受到旋轉(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，轉(zhuǎn)子平面應(yīng)該和定子平面平行。本發(fā)明通過測量微轉(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微轉(zhuǎn)子在空間所處的位置。電容C1，C2，C3，C4可以測量出微轉(zhuǎn)子的側(cè)向位移。電容C5，C6，C7，C8可以測量微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度。另外通過極板之間形成的電容可以檢測微轉(zhuǎn)子上下移動的位移。
磁懸浮轉(zhuǎn)子微方位陀螺是通過微細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)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，本發(fā)明推廣了磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的運用范圍，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加工方法來制造與實現(xiàn)，擴大了在方位陀螺上的運用范圍。


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加工方法來制造與實現(xiàn)，擴大了在方位陀螺上的運用范圍。
文檔編號H02N15/00GK1477374SQ0314154
公開日2004年2月25日 申請日期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 申請人:上海交通大學(xué)