抗磁懸浮轉(zhuǎn)子式微器件的相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、抗磁懸浮轉(zhuǎn)子微器件中轉(zhuǎn)子自由懸浮，從根本上消除了大多數(shù)微慣性器件的檢測(cè)質(zhì)量塊通過支撐梁與襯底相連而存在的接觸摩擦的影響，可用于高精度的微慣性器件。結(jié)合抗磁體和永磁體的抗磁懸浮具有室溫下工作、無源、自主穩(wěn)定懸浮以及適宜在微器件尺度下使用等優(yōu)點(diǎn)，其根據(jù)原理可以分成抗磁轉(zhuǎn)子懸浮和抗磁穩(wěn)定永磁轉(zhuǎn)子懸浮。本文是首次對(duì)抗磁懸浮轉(zhuǎn)子微器件用于慣性傳感器所涉及的工作機(jī)理、制作工藝和懸浮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)測(cè)控電路進(jìn)行的系統(tǒng)研究。全文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

2、 對(duì)抗磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了電磁場(chǎng)和動(dòng)力學(xué)分析，以深入理解抗磁懸浮轉(zhuǎn)子微器件的懸浮和穩(wěn)定的原理，以及其用作慣性傳感器的原理。首先運(yùn)用電磁場(chǎng)理論詳細(xì)推導(dǎo)了抗磁懸浮中電磁場(chǎng)矢量、電磁力和電磁力矩的求解方程，穩(wěn)定懸浮的充要條件，并論證了其在微器件中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)；接著對(duì)自由懸浮剛體運(yùn)動(dòng)和懸浮微轉(zhuǎn)子小角度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，說明了懸浮剛體轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的陀螺效應(yīng)；然后設(shè)計(jì)了兩種抗磁懸浮原理的器件結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方案；最后對(duì)微器件用作慣性傳感時(shí)

3、轉(zhuǎn)子線加速度、角速度與其位置的關(guān)系進(jìn)行了分析。 對(duì)抗磁懸浮微器件中轉(zhuǎn)子的懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真分析。(1)使用ANSOFT的MAXWELL3D有限元軟件包分析了抗磁轉(zhuǎn)子懸浮微器件的懸浮問題，具體包括：首先分析了永磁體的不同布置形式的影響，并確定了采用同心內(nèi)外永磁磁環(huán)、磁化方向沿軸向且相反的布置方案；接著對(duì)懸浮高度與懸浮力的關(guān)系、轉(zhuǎn)子懸浮平衡位置高度與永磁體厚度的關(guān)系、轉(zhuǎn)子懸浮力與內(nèi)外永磁體環(huán)外側(cè)徑向尺寸比值的關(guān)系、轉(zhuǎn)子

4、懸浮力與永磁體外環(huán)徑向尺寸的關(guān)系進(jìn)行了分析：最后通過分析可得在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)下抗磁轉(zhuǎn)子為穩(wěn)定懸浮。(2)采用等效電流環(huán)表示永磁體和映像電流表示抗磁效應(yīng)的解析法，對(duì)抗磁穩(wěn)定永磁轉(zhuǎn)子懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了分析，其中對(duì)盤形永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究，對(duì)齒形永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行了靜力學(xué)研究，研究結(jié)果表明在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)下盤形和齒形永磁轉(zhuǎn)子為穩(wěn)定懸浮。(3)對(duì)基于軸向變電容微電機(jī)原理的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)相關(guān)問題進(jìn)行了研究，具體包括：分析確定了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的轉(zhuǎn)子和

5、定子結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電壓的加載方式，使用MAXWELL3D有限元軟件包分析了旋轉(zhuǎn)電容、驅(qū)動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系以及渦流阻尼，另外還對(duì)空氣阻尼的影響進(jìn)行了分析。 對(duì)抗磁懸浮微器件的制作工藝進(jìn)行了研究。(1)抗磁轉(zhuǎn)子懸浮微器件包括定子和轉(zhuǎn)子。定子由加工好的硅基底微結(jié)構(gòu)單元和環(huán)形永磁組合體裝配而成。硅片上微結(jié)構(gòu)采用MEMS工藝制作，環(huán)形永磁體和齒形熱解石墨轉(zhuǎn)子采用精密加工工藝得到。目前，該器件制作已成功完成。(2)抗磁穩(wěn)定永磁轉(zhuǎn)子懸浮微

6、器件包括上定子、下定子和轉(zhuǎn)子，其中齒形永磁轉(zhuǎn)子采用精密加工工藝，定子采用MEMS工藝。為實(shí)現(xiàn)該器件的制作，本文首次對(duì)基底材料為熱解石墨的多層結(jié)構(gòu)的MEMS工藝進(jìn)行了研究，它包括熱解石墨基底的處理方法，用于轉(zhuǎn)子重力平衡的環(huán)形永磁體的制作以及定子器件整個(gè)工藝制作流程。文中研究了分離式和整體式兩種方案，目前，分離式微器件已制作完成，而整體式由于工藝復(fù)雜，工藝實(shí)驗(yàn)研究還在進(jìn)行之中。 對(duì)懸浮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)測(cè)控電路進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究工作分為

7、微電容檢測(cè)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制兩方面內(nèi)容。(1)微電容檢測(cè)使用電荷積分和鎖定放大器原理，具體電路包括載波發(fā)生電路、電荷積分放大器、交流放大、模擬乘法器解調(diào)電路以及低通濾波。微電容檢測(cè)研究工作中首先設(shè)計(jì)了使用DDS芯片的正弦載波發(fā)生電路。接著對(duì)前置放大器進(jìn)行了噪聲分析，由分析結(jié)果得到該電路理論上的檢測(cè)分辨率為在1.5KHz帶寬下可以達(dá)到78aF，對(duì)應(yīng)的角度檢測(cè)分辨率為0.0053°。然后，使用Orcad軟件分析了設(shè)計(jì)的實(shí)際檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及

8、存在的相位滯后。最后設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的獲取電路。(2)懸浮轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)是基于軸向變電容靜電微電機(jī)原理。首先分析了固定頻率、變頻率開環(huán)驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然后，根據(jù)電容變化的特點(diǎn)提出了變驅(qū)動(dòng)力矩、平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)力矩和最大驅(qū)動(dòng)力矩的三種閉環(huán)控制邏輯，并研究了變驅(qū)動(dòng)力矩控制中理想模型，考慮低通濾波器和補(bǔ)償器影響的模型下轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)響應(yīng)情況。研究結(jié)果表明低通濾波器引起的相位滯后將影響轉(zhuǎn)子所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，為提高閉環(huán)下的最高轉(zhuǎn)速可以增加補(bǔ)償器。最

9、后設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路。 對(duì)抗磁懸浮器件進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容主要是抗磁轉(zhuǎn)子懸浮微器件的實(shí)驗(yàn)，具體包括：(1)懸浮實(shí)驗(yàn)：測(cè)量了不同厚度永磁體時(shí)轉(zhuǎn)子的懸浮高度，通過懸浮穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子的懸浮穩(wěn)定性，并說明了穩(wěn)定區(qū)間；(2)電容檢測(cè)實(shí)驗(yàn)：測(cè)試了制作的用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)差分電容電路的性能：(3)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：測(cè)試了固定頻率、變頻率開環(huán)驅(qū)動(dòng)作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系。另外，對(duì)抗磁穩(wěn)定永磁轉(zhuǎn)子懸浮器件進(jìn)行了宏觀模擬懸浮實(shí)驗(yàn)。