收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

抗磁悬浮转子式微器件的相关技术研究

刘武  
【摘要】: 抗磁悬浮转子微器件中转子自由悬浮,从根本上消除了大多数微惯性器件的检测质量块通过支撑梁与衬底相连而存在的接触摩擦的影响,可用于高精度的微惯性器件。结合抗磁体和永磁体的抗磁悬浮具有室温下工作、无源、自主稳定悬浮以及适宜在微器件尺度下使用等优点,其根据原理可以分成抗磁转子悬浮和抗磁稳定永磁转子悬浮。本文是首次对抗磁悬浮转子微器件用于惯性传感器所涉及的工作机理、制作工艺和悬浮转子旋转驱动测控电路进行的系统研究。全文主要研究内容和结论如下: 对抗磁悬浮系统进行了电磁场和动力学分析,以深入理解抗磁悬浮转子微器件的悬浮和稳定的原理,以及其用作惯性传感器的原理。首先运用电磁场理论详细推导了抗磁悬浮中电磁场矢量、电磁力和电磁力矩的求解方程,稳定悬浮的充要条件,并论证了其在微器件中应用的优势;接着对自由悬浮刚体运动和悬浮微转子小角度运动进行了动力学分析,说明了悬浮刚体转子高速旋转时的陀螺效应;然后设计了两种抗磁悬浮原理的器件结构以及转子的旋转驱动方案;最后对微器件用作惯性传感时转子线加速度、角速度与其位置的关系进行了分析。 对抗磁悬浮微器件中转子的悬浮、稳定和旋转进行了系统的仿真分析。(1)使用ANSOFT的MAXWELL 3D有限元软件包分析了抗磁转子悬浮微器件的悬浮问题,具体包括:首先分析了永磁体的不同布置形式的影响,并确定了采用同心内外永磁磁环、磁化方向沿轴向且相反的布置方案;接着对悬浮高度与悬浮力的关系、转子悬浮平衡位置高度与永磁体厚度的关系、转子悬浮力与内外永磁体环外侧径向尺寸比值的关系、转子悬浮力与永磁体外环径向尺寸的关系进行了分析;最后通过分析可得在设计的结构参数下抗磁转子为稳定悬浮。(2)采用等效电流环表示永磁体和映像电流表示抗磁效应的解析法,对抗磁稳定永磁转子悬浮系统进行了分析,其中对盘形永磁转子进行了静力学、动力学研究,对齿形永磁转子进行了静力学研究,研究结果表明在设计的结构参数下盘形和齿形永磁转子为稳定悬浮。(3)对基于轴向变电容微电机原理的转子旋转驱动相关问题进行了研究,具体包括:分析确定了旋转驱动相关的转子和定子结构参数、驱动电压的加载方式,使用MAXWELL 3D有限元软件包分析了旋转电容、驱动力矩与转子转角的关系以及涡流阻尼,另外还对空气阻尼的影响进行了分析。 对抗磁悬浮微器件的制作工艺进行了研究。(1)抗磁转子悬浮微器件包括定子和转子。定子由加工好的硅基底微结构单元和环形永磁组合体装配而成。硅片上微结构采用MEMS工艺制作,环形永磁体和齿形热解石墨转子采用精密加工工艺得到。目前,该器件制作已成功完成。(2)抗磁稳定永磁转子悬浮微器件包括上定子、下定子和转子,其中齿形永磁转子采用精密加工工艺,定子采用MEMS工艺。为实现该器件的制作,本文首次对基底材料为热解石墨的多层结构的MEMS工艺进行了研究,它包括热解石墨基底的处理方法,用于转子重力平衡的环形永磁体的制作以及定子器件整个工艺制作流程。文中研究了分离式和整体式两种方案,目前,分离式微器件已制作完成,而整体式由于工艺复杂,工艺实验研究还在进行之中。 对悬浮转子旋转驱动测控电路进行了系统研究,研究工作分为微电容检测和旋转驱动控制两方面内容。(1)微电容检测使用电荷积分和锁定放大器原理,具体电路包括载波发生电路、电荷积分放大器、交流放大、模拟乘法器解调电路以及低通滤波。微电容检测研究工作中首先设计了使用DDS芯片的正弦载波发生电路。接着对前置放大器进行了噪声分析,由分析结果得到该电路理论上的检测分辨率为在1.5KHz带宽下可以达到78aF,对应的角度检测分辨率为0.0053o。然后,使用Orcad软件分析了设计的实际检测电路的动态响应以及存在的相位滞后。最后设计了转子转速的获取电路。(2)悬浮转子的旋转驱动是基于轴向变电容静电微电机原理。首先分析了固定频率、变频率开环驱动模式下的动态响应。然后,根据电容变化的特点提出了变驱动力矩、平稳驱动力矩和最大驱动力矩的三种闭环控制逻辑,并研究了变驱动力矩控制中理想模型,考虑低通滤波器和补偿器影响的模型下转子的动态响应响应情况。研究结果表明低通滤波器引起的相位滞后将影响转子所能达到的最高转速,为提高闭环下的最高转速可以增加补偿器。最后设计了驱动电路。 对抗磁悬浮器件进行了相关实验。实验研究内容主要是抗磁转子悬浮微器件的实验,具体包括:(1)悬浮实验:测量了不同厚度永磁体时转子的悬浮高度,通过悬浮稳定性实验验证了转子的悬浮稳定性,并说明了稳定区间;(2)电容检测实验:测试了制作的用于检测转子高速旋转差分电容电路的性能;(3)旋转驱动实验:测试了固定频率、变频率开环驱动作用下转子转速与驱动电压的关系。另外,对抗磁稳定永磁转子悬浮器件进行了宏观模拟悬浮实验。 本文为抗磁悬浮转子微器件真正成为高精度惯性传感器的进一步深入研究提供了良好的基础。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 Chris Bang;新型微机械加工为微器件开辟新应用领域[J];电子产品世界;2004年04期
2 孙再吉;;高性能ZnO HFET器件的开发[J];半导体信息;2010年04期
3 龚晓燕,江平宇;基于虚拟原型的微器件动态特性分析与评价[J];系统仿真学报;2004年02期
4 郑巍,徐毓娴,李庆祥;用于微器件装配的微操作系统[J];机器人;1999年01期
5 ;“微器件光学及其相关现象的研究”项目获自然科学二等奖[J];华中科技大学学报(自然科学版);2010年02期
6 汪继亮,江平宇;微器件制造特征信息描述与输入方法的研究[J];西安交通大学学报;2003年01期
7 陈迪,赵旭;LIGA技术及其应用[J];高技术通讯;1996年09期
8 孙再吉;;印度MEMS器件的开发[J];半导体信息;2008年04期
9 闫向彤,江平宇;基于实例和设计目录的微器件原理方案设计[J];计算机集成制造系统-CIMS;2005年07期
10 龚晓燕,江平宇;微器件设计的优化决策规则获取方法研究[J];计算机辅助设计与图形学学报;2005年08期
11 王小鹏;陈天宁;杨战孝;;基于Monte Carlo模型的微型PLGA给药系统建模及仿真[J];传感技术学报;2006年05期
12 郭利;刘超;章海军;;基于准分子激光的微结构与微器件加工制作研究[J];光学仪器;2009年01期
13 皇甫勇,王小鹏,陈花玲;一种新型给药微结构的封装技术研究[J];微纳电子技术;2004年12期
14 张鸿海,胡晓峰,范细秋,刘胜;纳米压印光刻技术的研究[J];华中科技大学学报(自然科学版);2004年12期
15 刘峥;江平宇;;面向Top-Down设计流的表面微加工掩膜推导方法[J];计算机辅助设计与图形学学报;2007年06期
16 明平美,胡洋洋,朱健;微细电火花加工MEMS器件技术关键分析[J];微纳电子技术;2005年04期
17 郑冬冬;;AMD联手IBM开发纳米芯片制造技术[J];半导体信息;2003年01期
18 李秋柱;刘毅;牛康康;刘君;丑修建;;基于白光干涉测量技术的微器件三维形貌重构[J];测试技术学报;2009年03期
19 陈璐云,李玉和,李庆祥,白立芬;微器件装配系统机器视觉的实现[J];仪器仪表学报;2001年S1期
20 周兆英,冯焱颖;微系统与纳系统技术(上)[J];世界电子元器件;2001年09期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈璐云;李玉和;李庆祥;白立芬;;微器件装配系统机器视觉的实现[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集(上)[C];2001年
2 李艳杰;谢惠民;戴福隆;;利用扫描云纹方法测量无定形碳化硅微器件的高温残余变形[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年
3 张鸿海;胡晓峰;范细秋;贺德建;刘胜;;高效率低成本纳米级图形复制技术[A];人才、创新与老工业基地的振兴——2004年中国机械工程学会年会论文集[C];2004年
4 朱永伟;云乃彰;吴冰杰;;制作微器件的超声电解复合微细加工试验研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年
5 朱永伟;云乃彰;吴冰杰;;制作微器件的超声电解复合微细加工试验研究[A];2005年中国机械工程学会年会第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
6 朱永伟;云乃彰;吴冰杰;;制作微器件的超声电解复合微细加工试验研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年
7 王峰会;楼康;陈平伟;;同步辐射复合LIGA纳米传感植入方法及性能测试[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年
8 徐红玉;张元冲;宋亚勤;陈殿云;;短脉冲激光加热多层金属薄膜的温度分布[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
9 杨慧;刘琦;郭航;;应用于微纳米颗粒的MEMS超声分离器件的声学特性分析[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
10 张瑞;陈淼;;构筑微纳结构的新方法——微接触印刷术[A];甘肃省化学会成立六十周年学术报告会暨二十三届年会论文集[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 林谢昭;静电微器件的模型自由度缩减方法研究[D];浙江大学;2010年
2 杨铎;聚合物熔体表面效应与平板微器件的注塑成型研究[D];大连理工大学;2011年
3 张代波;基于小波多尺度的无网格RF微器件建模研究[D];北京邮电大学;2011年
4 刘武;抗磁悬浮转子式微器件的相关技术研究[D];上海交通大学;2009年
5 郝振霞;高聚物微流控芯片上金属微器件的研制和应用[D];浙江大学;2010年
6 冯谦;结构全寿命安全保障体系及集成研究[D];南京航空航天大学;2005年
7 翟晓敏;多体系统和复杂微器件的光驱动研究[D];中国科学技术大学;2009年
8 王洪喜;微结构的静电驱动特性研究[D];西安电子科技大学;2006年
9 张凯;微器件中流体的流动与混合研究[D];浙江大学;2007年
10 王涛;高g值环境典型微结构动态特性及其测试技术研究[D];大连理工大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冯余其;聚合物微器件超声波联接机理与方法研究[D];大连理工大学;2010年
2 张苗苗;阵列微结构对微器件超声波精密封接的影响[D];大连理工大学;2010年
3 李永辉;金属微器件制作及微电铸铸层结合强度研究[D];大连理工大学;2012年
4 李成斌;电铸铜、镍金属微器件的工艺研究[D];大连理工大学;2013年
5 苏博;陶瓷微器件的软刻蚀成形[D];兰州理工大学;2013年
6 王继章;聚合物平板微器件的翘曲及模内键合研究[D];大连理工大学;2012年
7 陈安骏;超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究[D];南京航空航天大学;2005年
8 李洪武;基于机器视觉的微装配系统[D];北京工业大学;2006年
9 胡竹平;激光微加工微结构体及超薄型Pt膜温度传感器的研究[D];哈尔滨理工大学;2007年
10 乔鹏;应用于聚合物微器件封装的超声波键合系统[D];大连理工大学;2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 何小明;集成无源器件封装技术[N];中国电子报;2000年
2 莫大康 编译;SIA预测未来三年半导体市场[N];中国电子报;2002年
3 ;今年砷化镓IC市场将恢复增长[N];中国电子报;2002年
4 记者 杨念明 通讯员 吴月朗 张宝庆 陈汉梅;特色鲜明 亮点纷呈[N];湖北日报;2010年
5 记者 周祚 通讯员 夏坚;治疗艾滋病新药是“广州造”[N];广州日报;2005年
6 新华社记者 司久岳;美高科技企业金秋全线飘红[N];新华每日电讯;2003年
7 中国电子科技集团公司第49研究所信息中心主任 曹金名;微电子机械系统开辟新世界[N];中国电子报;2003年
8 谭宗颖;小纳米 大机会[N];人民日报;2004年
9 中国科学技术信息研究所所长 梁战平;二000年世界科技形势纵观[N];黑龙江日报;2000年
10 王小庆;王宏建;天津:提高半导体行业“含金量”[N];中国电子报;2002年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978