抗磁懸浮轉(zhuǎn)子式微器件的相關(guān)技術(shù)研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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,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。本文是首次對抗磁懸浮轉(zhuǎn)子微器件用于慣性傳感器所涉及的工作機理、制作工藝和懸浮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動測控電路進行的系統(tǒng)研究。全文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:

2、 對抗磁懸浮系統(tǒng)進行了電磁場和動力學分析,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。首先運用電磁場理論詳細推導了抗磁懸浮中電磁場矢量、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;接著對自由懸浮剛體運動和懸浮微轉(zhuǎn)子小角度運動進行了動力學分析,說明了懸浮剛體轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的陀螺效應(yīng);然后設(shè)計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)動方案;最后對微器件用作慣性傳感時

3、轉(zhuǎn)子線加速度、角速度與其位置的關(guān)系進行了分析。 對抗磁懸浮微器件中轉(zhuǎn)子的懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)進行了系統(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)系進行了分析:最后通過分析可得在設(shè)計的結(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,對抗磁穩(wěn)定永磁轉(zhuǎn)子懸浮系統(tǒng)進行了分析,其中對盤形永磁轉(zhuǎn)子進行了靜力學、動力學研究,對齒形永磁轉(zhuǎn)子進行了靜力學研究,研究結(jié)果表明在設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)下盤形和齒形永磁轉(zhuǎn)子為穩(wěn)定懸浮。(3)對基于軸向變電容微電機原理的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動相關(guān)問題進行了研究,具體包括:分析確定了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動相關(guān)的轉(zhuǎn)子和

5、定子結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動電壓的加載方式,使用MAXWELL3D有限元軟件包分析了旋轉(zhuǎn)電容、驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的關(guān)系以及渦流阻尼,另外還對空氣阻尼的影響進行了分析。 對抗磁懸浮微器件的制作工藝進行了研究。(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。為實現(xiàn)該器件的制作,本文首次對基底材料為熱解石墨的多層結(jié)構(gòu)的MEMS工藝進行了研究,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,工藝實驗研究還在進行之中。 對懸浮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動測控電路進行了系統(tǒng)研究,研究工作分為

7、微電容檢測和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制兩方面內(nèi)容。(1)微電容檢測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。微電容檢測研究工作中首先設(shè)計了使用DDS芯片的正弦載波發(fā)生電路。接著對前置放大器進行了噪聲分析,由分析結(jié)果得到該電路理論上的檢測分辨率為在1.5KHz帶寬下可以達到78aF,對應(yīng)的角度檢測分辨率為0.0053°。然后,使用Orcad軟件分析了設(shè)計的實際檢測電路的動態(tài)響應(yīng)以及

8、存在的相位滯后。最后設(shè)計了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的獲取電路。(2)懸浮轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動是基于軸向變電容靜電微電機原理。首先分析了固定頻率、變頻率開環(huán)驅(qū)動模式下的動態(tài)響應(yīng)。然后,根據(jù)電容變化的特點提出了變驅(qū)動力矩、平穩(wěn)驅(qū)動力矩和最大驅(qū)動力矩的三種閉環(huán)控制邏輯,并研究了變驅(qū)動力矩控制中理想模型,考慮低通濾波器和補償器影響的模型下轉(zhuǎn)子的動態(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)速可以增加補償器。最

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

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