磁悬浮转子微陀螺的设计制造及其特性研究

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1、上海交通大学博士学位论文摘要磁悬浮转子微陀螺的设计制造及其特性研究摘要微机电系统(MEMS)具有体积小、功耗低、适宜批量生产、价格便宜、易与控制电路集成在一起等优点。微惯性器件是微机电系统的一个重要分支，对微惯性器件的研究是目前国内外的热点之一。作为微惯性器件的微陀螺在汽车安全系统、日常生活、工业、医疗和军事等领域都有着广泛的应用前景。在过去的二十余年的时间里，国内外微陀螺的研究领域主要是基于科氏效应的微振动陀螺，由于微振动陀螺的结构复杂性以及对微细加工的高精度要求，微振动陀螺很难达到高精度。近来人们开始把目光投向悬浮转子微陀螺，包括静电悬浮转子微陀螺和磁悬浮转子微陀螺。悬浮转

2、子微陀螺具有与传统机械陀螺相同的工作机理，即高速转动刚体的定轴性，另外它从根本上消除了在传统机械陀螺中存在的接触摩擦，悬浮转子微陀螺有望实现具有高精度的微陀螺。本文对磁悬浮转子微陀螺的工作机理及其特性做了较为系统的研究，提出了一种分离式多圈线圈的新型定子结构，并在定子中加入了差分电容检测系统和加矩线圈。全文的研究内容和结论如下：运用磁力线法和等位线法对磁悬浮转子微陀螺的悬浮和稳定原理进行了较为直观的分析；磁悬浮转子微陀螺的旋转原理同异步电机，文中分析了不同时刻各旋转线圈的电流以及旋转磁场的形成过程；从角动量原理和陀螺基本特性两方面介绍了陀螺力学效应，给出了差分电容检测系统；最后

3、给出了新型的磁悬浮转子微陀螺定子结构的设计，新型结构具有悬浮力大、微转子悬浮稳定性好、易于微细加工方法实现和适宜闭环控制等方面的优点。应用FEM．BEM法对磁悬浮转子微陀螺的悬浮特性进行建模分析。研究了悬浮。叫，．≈悬浮力之间的变化关系：研究了电流参数与悬浮力之间的变化关系，这包括电流幅值和频率对悬浮力的影响；研究了线圈尺寸参数与悬浮力之间的变化关系。稳定性是磁悬浮转子微陀螺得以正常工作的前提条件。文中应用有限元分析软件ANSYS，从稳定和悬浮线圈的尺寸、转子直径以及电流幅值等方面，对磁悬浮转子微陀螺的稳定特性进行了研究。微转子发生偏心时，水平侧向分力的方向应该和偏心上海交通大

4、学博士学位论文摘要的方向相反，这样微转子才能稳定地悬浮在中心部位。结果表明微转子要想得到较好的悬浮稳定性，在稳定线圈、悬浮线圈尺寸以及微转子直径之间有一个最佳的组合。文中应用ANSYS分析软件，从电流频率、电流幅值、旋转线圈径向长度以及旋转阻力矩四个方面，对磁悬浮转子微陀螺的旋转特性进行了研究。旋转线圈电流产生的旋转力矩是用来克服转子旋转时的空气阻力矩，空气阻力矩与空气的粘滞系数、微转子悬浮高度、微转子直径以及转速直接相关。定子主要是由基体、平面线圈和传感电极组成，基体采用导磁性材料组成，平面线圈采用表面微细加工方实现，即光刻、电镀或沉积以及研磨等工艺。考虑到多个线圈引线的复杂

5、性，本文采用了引线埋层结构，即引线从线圈和传感电极的底层引出。文中研究了定子的整个工艺流程，并叙述了各个工艺所采用的参数。通过对加工结果进行测试，该套工艺能得到较为完美的定子结构。文中介绍了三种制造转子的工艺方法，分别为蒸镀，溅射和冲压，对转子质量的测量和分析得到冲压是制造微转子较为适宜的方法。电容计算是电容检测电路设计必要的步骤，本章开始部分分析了一种微倾角电容计算方法；研制了一种基于单位增益放大器的电容检测回路，该电容检测电路能够感应亚原子级的位移；研制了悬浮稳定驱动电路以及旋转驱动电路。搭建了系统的试验装置，．该装置是由五个部分组成，分别为：信号源、功率放大及移相、磁悬浮

6、转子微陀螺的主体、示波器；文中介绍了微转子悬浮高度检测和转速检测装置，并对微转子的悬浮、稳定和旋转进行了试验研究，试验结果同前面章节中的理论分析相吻合，从而进一步证明了理论分析的正确性。本文完成了磁悬浮转子微陀螺核心部分的研制，系统地分析了磁悬浮转子微陀螺的悬浮、稳定和旋转特性，为进一步闭环控制及检测提供了理论基础和试验依据。关键词：微机电系统，微陀螺，电磁悬浮，涡流，平面线圈，微细加工，有限元，边界元，转速：一II—上海交通大学博士学位论文ABSTRACTDesignandFabricationofMicromachinedGyroscopewith◆一Electromagn

7、eticallyLevitatedRotorandItsCharacteristicsStudy◆ABSTRACTMicro-electro．mechanicalsystemfⅣ匝MS)hasthecharacteristiCSofsmallvolume，lowpowerconsumption,suitabilitytomassproduction，adaptationtointegrationwithcontrolckcuit．nlemicro．inertialdeviceisanimpo