电磁悬浮微陀螺概述

王章波，仇海涛，米金泰

（1．中船航海科技有限责任公司，北京100070；2．北京航天控制仪器研究所，北京100039；3．中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

电磁悬浮微陀螺概述

王章波1，仇海涛2，米金泰3

（1．中船航海科技有限责任公司，北京100070；2．北京航天控制仪器研究所，北京100039；3．中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

微陀螺具有体积小、功耗低等优点，但其精度目前仍然较低。在传统陀螺中，电磁悬浮陀螺的精度非常高，因此，对电磁悬浮微陀螺进行研究，有望获得高精度的微陀螺。介绍了电磁悬浮微陀螺的分类、原理、优缺点、结构以及研究现状。首先根据悬浮原理将电磁悬浮微陀螺分为基于磁吸力的电磁悬浮微陀螺、基于排斥力的电磁悬浮微陀螺、静电悬浮微陀螺、反磁悬浮微陀螺和超导磁悬浮微陀螺；然后分别介绍了每种电磁悬浮的悬浮原理和优缺点，以及每种电磁悬浮微陀螺的发展现状、样机结构和转子的悬浮旋转原理；最后，简述了电磁悬浮微陀螺的发展前景。

微陀螺；电磁悬浮；静电悬浮；反磁悬浮；超导磁悬浮

Abstract：Micro⁃gyroscopes have advantages of small volume，low power consumption．However，their precision is somewhat lower．Among traditional gyroscopes，the precision of electromagnetic suspended gyroscopes is best，so，resear⁃ches of electromagnetic suspended micro⁃gyroscope，may probably develop a high⁃precision micro⁃gyroscope．This review reports an overview of electromagnetic suspended micro⁃gyroscope，including categorizations，principles，advantages and disadvantages，structures and developments．First，electromagnetic suspended micro⁃gyroscopes are categorized into elec⁃tromagnetic suspended micro⁃gyroscope based on attraction force，electromagnetic suspended micro⁃gyroscope based on re⁃pulsion force，electrostatic suspendedmicro⁃gyroscope，diamagnetic suspendedmicro⁃gyroscope and superconductingmicro⁃gyroscope．Then levitated principles，advantages and disadvantages of each micro⁃gyroscope are introduced separately，as well as their developments，prototypes structures and principles of levitation and rotation of rotors．Finally，development tendency of electromagnetic suspended micro⁃gyroscope is evaluated．

Key w ords：micro⁃gyroscope;electromagnetic suspension;electrostatic suspension;diamagnetic suspension;super⁃conducting suspension

0 引言

陀螺是用来测量载体角运动的，与传统陀螺相比，微陀螺具有质量轻、体积小、便携性好、成本低、功耗低等优点，广泛应用于消费电子领域，例如手机、数码相机、玩具、机器人、汽车导航、可穿戴设备、虚拟现实等。根据不同的工作原理，微陀螺主要包括基于Coriolis效应的微陀螺、电磁悬浮微陀螺、基于Sagnac效应的微陀螺和基于核磁共振（NMR）的微陀螺4种［1］。

在传统陀螺中，电磁悬浮陀螺的精度非常高，并已成功应用于航空、航天、航海、交通运输、地质勘探、钻井开隧道等领域。例如，20世纪中期美国喷气与推进实验室（JPL）研制的超导磁悬浮陀螺仪的精度达到0．013（°）／h［2］，美国斯坦福大学研制的引力探测器B中使用的静电陀螺是世界上精度最高的陀螺［3］等。因此，在上述4种微陀螺中，研制电磁悬浮微陀螺有可能获得更高精度的微陀螺。

电磁悬浮微陀螺是利用电和磁力将转子悬浮起来并使其旋转，利用经典的陀螺效应理论，可以计算出物体运动过程中的角速度及其姿态。根据不同的悬浮原理，比较常见的电磁悬浮微陀螺有：基于磁吸力的电磁悬浮微陀螺、基于排斥力的电磁悬浮微陀螺、静电悬浮微陀螺、抗磁悬浮微陀螺和超导磁悬浮微陀螺。

1 基于磁吸力的电磁悬浮微陀螺

基于磁吸力的电磁悬浮是利用电磁感应产生的磁吸力抵消悬浮体的重力，进而实现悬浮。悬浮体可以是铁磁材料、永磁材料或者电磁线圈。这种电磁悬浮是一种主动悬浮，需要实时监测悬浮体的位置，并根据位置信息改变线圈中电流的大小，调整电磁力，使悬浮体稳定悬浮。基于磁吸力的电磁悬浮环境适应能力强，但控制系统比较复杂。

美国的Milli Sensor Systems and Actuators和Air Force Research Laboratory联合研制了一种基于磁吸力的电磁悬浮微陀螺［4⁃5］，如图1所示。陀螺的转子是一个类似齿轮形状的圆形高导磁材料薄片，在薄片上、下表面刻有环形沟槽。陀螺的定子分为两部分，分别控制转子的悬浮和旋转。控制转子悬浮的定子由8个扇形片组成，分为2组，每组4片，分别位于转子上方和下方。与转子相似，定子扇形片表面也刻有环形沟槽。转子和定子扇形片的沟槽内埋有线圈，线圈通电后，产生电磁吸力。8个扇形片线圈的控制电路相互独立，通过调整各扇形片线圈中电流的大小，就可以使转子稳定悬浮，并控制除旋转方向之外的其他5个方向的自由度。控制转子旋转的定子由一组U形单元组成，均布于转子周围，其旋转驱动原理类似于变磁阻马达。

2009年，中国电子科技大学报道了一种LC调谐电磁悬浮微陀螺［6］，如图2所示。陀螺由悬浮系统、旋转系统和检测系统组成。转子厚度约为700μm，带有8个电极，位于悬浮系统的定子中央。悬浮系统由两组分别位于转子正上方和正下方的铁氧体磁芯、线圈和电容组成，线圈与电容串联。在转子中部是一个6极、3相、带6个线圈的定子，为转子提供转矩。在悬浮系统的线圈中通入频率为12kHz的正弦电流，假设此时转子悬浮在上、下电磁铁中央，当转子偏离平衡位置向一侧电磁铁运动时，另一侧气隙增大，线圈的电感降低，阻抗下降，电流增大，电磁吸力增大，最终转子被拉回平衡位置。转子的旋转原理类似于开关磁阻电机，当定子的一个相位通电时，该相位及其附近的转子凸极有对齐的趋势，以便它们之间的气隙最小，磁阻最低，通过这种方式产生转矩使转子旋转。试验中，转子能稳定地悬浮在磁芯中部并以12000r／min的转速稳定旋转。1000r／min，此时，该电磁悬浮微陀螺的角速度灵敏度为0．4［（°）／s］／Hz。

2 基于排斥力的电磁悬浮微陀螺

基于排斥力的电磁悬浮是一种被动悬浮，原理是当悬浮体的材料为非铁磁性导体时，若将悬浮体置于高频电磁场中，悬浮体内部会产生感应电涡流，磁场与感应电涡流相互作用，产生安培力，抵消悬浮体的重力，使悬浮体悬浮。这种悬浮在开环控制电路下就能实现稳定悬浮，控制电路简单，可以选择比较常见的银、铜、铝作为悬浮体的材料，加工工艺成熟，成本较低。但是由于电涡流效应，悬浮体悬浮时，悬浮体内部会产生大量的热，因此这种悬浮在设计时要考虑温度的影响以及能耗。

1939年，非铁磁性导体盘悬浮在两个同轴通电线圈上方的现象（内、外线圈中的交流电相位相反）被发现并研究［7］。1995年，Shearwood等利用相同的原理设计出一种微机械机构并预测该机构能应用于微陀螺、微加速度计等领域。1997年，Shearwood等成功地研制出转速超过1000r／min的电磁悬浮微陀螺［8⁃9］，如图3所示。微陀螺由转子、基体、磁衬底、线圈以及传感电极组成。转子为圆形薄铝片，直径为0．52mm，厚度为12μm；磁衬底上镀有导磁层，作用是提高磁场的传导效率；线圈分为悬浮线圈、稳定线圈和旋转线圈，悬浮线圈位于定子中央，稳定线圈位于定子最外侧，旋转线圈夹在悬浮、稳定线圈中间。在线圈中通电，产生排斥力，转子会稳定悬浮于定子的中央平衡位置。旋转线圈由4部分组成，相邻两线圈中电流的相位差为90°，形成旋转磁场，驱动转子旋转，原理与感应电机的原理相同。当线圈中电流频率为10MHz、幅值为1A时，转子的悬浮高度约为30μm。在线圈中叠加相位差为90°、频率为2MHz的电流，转子的最高转速能达到

2006年，上海交通大学报道了一种电磁悬浮微陀螺［10⁃11］， 如图 4所示。 陀螺主要由外壳、 转子、定子（线圈、基体、差分电容）组成。转子是直径为2．2mm的圆形铝片，厚度为20μm；线圈分为旋转线圈、悬浮线圈和稳定线圈，其中悬浮线圈和稳定线圈串联。旋转线圈分为2组，每组4个线圈，相邻两线圈中电流的相位差为90°，转子的旋转原理与感应电动机相同。在悬浮线圈和旋转线圈中分别通入频率为10MHz和2MHz的交流电，转子稳定悬浮并旋转，其最大转速在空气中为800r／min，在真空中为5000r／min。

2011年，上海交通大学报道了电磁悬浮微陀螺的改进模型［12］，如图5所示。陀螺由基体、转子和定子组成。转子形状类似于中空圆环巢。定子包括上线圈、下线圈、铁磁芯和支承柱，上、下线圈被封装在铁磁芯的上、下表面，具有相同的结构。调整上、下线圈中交流电的大小，转子受向上和向下的排斥力作用，稳定悬浮。旋转线圈由16个独立的线圈组成，其旋转驱动原理与感应电机相同。

3 静电悬浮微陀螺

静电悬浮是带静电的悬浮体在静电场中受到库仑力作用，重力被抵消而实现的悬浮。它是一种主动悬浮，即当悬浮体受到外力干扰时，需要测量悬浮体的位置，并根据位置反馈信号调整静电场，进而保证悬浮体悬浮在平衡位置。静电悬浮的优点是精度高、可控性强、抗干扰能力强，但其闭环控制系统复杂，成本很高。

20世纪90年代，美国SatCon公司展示了一个静电悬浮微陀螺样机［13］，如图6所示。该陀螺由圆盘形转子、悬浮旋转驱动器以及传感器电极组成。转子由三层多晶硅构成，每层多晶硅由绝缘的氮化硅分隔。陀螺由VLSI微机械加工方法制造，转子直径为200μm，其悬浮由多晶硅电极控制。陀螺的旋转单元类似于一个三相双极可变电容同步马达，转子的转速能达到100000r／min，陀螺精度能达到0．01（°）／s。

日本Tokimec公司从1993年开始研究静电悬浮微陀螺。1995年，Tokimec与日本东北大学合作，在2001年和2002年分别公布了盘形和环形转子静电悬浮微陀螺［14⁃15］。盘形转子和环形转子均为 “三明治”结构，即玻璃⁃单晶硅⁃玻璃结构，使用DRIE技术制造。转子的悬浮是通过电容位移传感器和静电驱动器进行控制的，旋转原理与可变电容电机的原理相同。盘形转子的直径为5mm，封装在真空腔内以降低转子旋转时的空气阻力。转子的上下表面和玻璃基体的表面上有很多对电极，转子与玻璃基体上电极之间的间隙为5μm。试验中盘形转子的转速可达10000r／min。虽然盘形转子在陀螺与加速度计的试验中获得成功，但在工作时需要较高的电压，因此，Tokimec与日本东北大学研制了一种环形转子微陀螺，如图7所示。转子的直径为4mm，宽300μm，厚 150μm，控制转子径向位置的电极对称分布在环形转子周围，控制转子轴向位置和旋转的电极以及公共电极置于上、下玻璃基体之上，转子与电极之间的径向间隙为5μm，轴向间隙为2．5μm。与盘形转子相比，环形转子悬浮时所需要的电压减小了。试验中环形转子的转速最高可达74000r／min，陀螺精度为0．085（°）／s。

2005年，英国的Southampton大学开始研究静电悬浮微陀螺［16］，如图8所示。陀螺的转子为高导电性圆硅片，直径约4mm，厚度约200μm。悬浮和旋转电极分布于转子上方和下方的基体上，径向位置控制电极环绕在转子四周，转子上、下以及周围的电极产生的静电力使转子悬浮在定子中央的平衡位置。

国内，上海交通大学也开展了静电悬浮微陀螺的研究［17］，如图9所示。陀螺的转子是使用LIGA技术利用SU⁃8光刻胶制成的 “三明治”结构（玻璃⁃镍⁃玻璃）的圆盘，直径为4mm，厚度约为0．2mm。定子包括4对轴向悬浮电极、3对旋转电极、4对径向悬浮电极和检测电极，电极均匀对称分布在转子的周围，为转子提供悬浮力和转矩并检测转子的姿态。转子的悬浮由检测电极和悬浮电极闭环控制，转子旋转与可变电容马达的原理相同。

清华大学也报导了一种静电悬浮微陀螺［18］，样机转子的最高转速为10085r／min。如图10所示，转子同样采用 “三明治”结构（玻璃⁃硅⁃玻璃），环形薄片，旋转原理与三相可变电容马达相同。

4 抗磁悬浮微陀螺

抗磁悬浮是指抗磁性物质（磁化率为负的一类物质），例如蛋白质、水、金和水银等，在磁场中受到磁场的排斥而发生的悬浮［19⁃20］。抗磁悬浮是一种被动悬浮，优点是具有自稳定性，结构和控制系统相对比较简单，可靠性高。但是在一般情况下，抗磁材料在磁场中受到的排斥力比较小，所以需要很高强度的磁场。

2007年，上海交通大学报道了一种新型的抗磁悬浮微陀螺［21］，如图11所示。微陀螺由转子和定子组成，转子材料为热解石墨，形状类似于一个带8个齿的齿轮；定子使用MEMS工艺，利用SU⁃8光刻胶将两个环形永磁铁贴到硅基体背面，定子上有12个驱动电极。转子的悬浮是基于法拉第发现的抗磁效应，转子的旋转与轴向可变电容马达的原理相同，试验中转子的转速在空气中能达到10r／min。

2010年，上海交通大学对其研制的抗磁悬浮微陀螺进行了改进［22］，如图12所示。陀螺转子改为圆形薄片，材料仍为热解石墨。基于抗磁效应，转子在永磁铁产生的磁场中悬浮，转子的旋转原理与感应电动机的旋转原理相同。

5 超导磁悬浮微陀螺

超导磁悬浮［2］是指当悬浮体处于超导态时，在磁场中会受到排斥力作用，进而悬浮。超导磁悬浮产生排斥力的原理是：根据 Meissner效应，当一个处于超导态的超导体放在磁场中时，超导体内部磁感应强度为零，磁力线完全分布在超导体外部，超导体显现完全的抗磁性。超导磁悬浮是一种被动悬浮，优点是具有自稳定性、能耗低、抗干扰能力强，控制系统相对简单。但是超导材料需要很低的温度才能保持超导态，因此需要额外的制冷装置，增加了成本与体积。

上海交通大学报道了一种超导磁悬浮微陀螺［23］，如图13所示。上、下定子轴向布置，使用高温超导材料，转子是一个圆片，使用导电永磁材料，转子和定子四周充满液氮，确保陀螺工作在极低的温度环境下。在定子圆周方向上布置平面线圈，利用电磁感应原理，驱动转子旋转。

6 结论

随着市场的需求，客户期望陀螺的精度越来越高，能耗越来越小，成本越来越低，这促进了新原理、新结构、新材料以及新制造工艺的不断探索与发展。本文介绍了不同种类的电磁悬浮微陀螺，包括原理、优缺点、结构以及材料等。很多电磁悬浮微陀螺现在仍处于研发试验阶段，其精度、环境适应能力以及成本还不能满足当今消费电子市场的需求。但是，电磁悬浮微陀螺体积小、能耗低等优点已经在试验中显现出来。因此，

随着材料、结构、制造工艺等的不断发展，电磁悬浮微陀螺在精度、能耗、成本以及环境适应能力等方面将会有很大的提升，拥有很大的发展潜力。

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An Overview of Electrom agnetic Suspended M icro⁃gyroscope

WANG Zhang⁃bo1，QIU Hai⁃tao2，MI Jin⁃tai3
（1．CSSCMarine Technology Co．，Ltd，Beijing 100070; 2．Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039; 3．Research Institute of Petroleum Engineering Technology，SINOPEC，Beijing 100101）

V241．5

A

1674⁃5558（2017）07⁃01331

10．3969／j．issn．1674⁃5558．2017．04．018

王章波，男，硕士，机械设计及理论专业，工程师，研究方向为船用惯性姿态敏感期设计。

2016⁃10⁃30