專利名稱：利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子mems微陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))微陀螺，特別是一種利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，用于衛(wèi)星、汽車等導(dǎo)航控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
MEMS器件具有微小化、低成本、低能耗、可批量化的特點(diǎn)，近年來，各國的學(xué)者、工程師嘗試設(shè)計和制造懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)美國專利“加速檢測型陀螺和制造方法(acceleration-detectingtype gyro and manufacturing method thereof)”(專利號5920983)提到一種能同時測量二軸角速度和三軸線加速度的懸浮轉(zhuǎn)子的靜電微陀螺，采用玻璃-硅-玻璃鍵合結(jié)構(gòu)，定子是在玻璃上制作電極形成，硅起連接作用。轉(zhuǎn)子采用單晶硅材料制成。其主要特點(diǎn)是在硅轉(zhuǎn)子的上、下面上刻有許多同心環(huán)形凹槽以形成轉(zhuǎn)子的同心環(huán)形突出懸浮電極，相應(yīng)地，在每側(cè)的玻璃襯底上沿周向均布4組懸浮電極，每組懸浮電極由一對梳狀電極構(gòu)成，這一對梳狀電極的弧形梳齒交叉布置，其梳齒寬度、相鄰間距與轉(zhuǎn)子上的環(huán)形突出電極相同，但布置的徑向位置錯開一定距離，這樣，懸浮電極間的靜電力不僅用于轉(zhuǎn)子軸向的懸浮，而且對轉(zhuǎn)子徑向的懸浮也具有定心作用。該專利陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是基于可變電容靜電微馬達(dá)的原理工作的。
該技術(shù)存在如下不足，由于上述的梳狀電極對轉(zhuǎn)子的徑向恢復(fù)控制力相比對轉(zhuǎn)子軸向的懸浮控制力要小許多，因此該專利所描述的陀螺的轉(zhuǎn)子徑向的控制精度和靈敏度要低于軸向的；由于采用可變電容使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，定轉(zhuǎn)子上必須有分離的電極或相當(dāng)于電極的陸域，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時為了保證轉(zhuǎn)子的恒高速轉(zhuǎn)動，必須實(shí)時檢測定轉(zhuǎn)子的相對位置并決定子電極的電壓施加順序，必須有專門的轉(zhuǎn)子恒高速檢測控制回路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提出一種利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，使其利用電荷馳豫使轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子上不需要設(shè)置電極，因而可做成圓平盤，結(jié)構(gòu)和控制簡單，也方便了加工；通過設(shè)置軸向和徑向懸浮電極實(shí)現(xiàn)懸浮和加矩穩(wěn)定；通過檢測電極對來實(shí)現(xiàn)位置檢測。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明陀螺整體采用三明治結(jié)構(gòu)，分為上定子、轉(zhuǎn)子、下定子、周邊結(jié)構(gòu)四部分構(gòu)成。上下定子通過周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一個籠式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子置于這個籠式結(jié)構(gòu)的中間。定子的功能有兩個，一是在其表面能夠形成旋轉(zhuǎn)電壓行波，在轉(zhuǎn)子的電荷馳豫層感應(yīng)出滯后的電壓行波，從而帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)；一是實(shí)現(xiàn)軸向位置檢測、懸浮和加矩穩(wěn)定。周邊結(jié)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)徑向檢測和懸浮。
上下定子只是空間朝向不同，其結(jié)構(gòu)相同，由截面為方形或矩形且處于同一平面層內(nèi)A相導(dǎo)電環(huán)、B相導(dǎo)電環(huán)、C相導(dǎo)電環(huán)，A相旋轉(zhuǎn)電極、A相電極連接柱，B相旋轉(zhuǎn)電極、B相電極連接柱，C相旋轉(zhuǎn)電極、C相電極連接柱，軸向懸浮電極及軸向檢測電極對構(gòu)成。A相旋轉(zhuǎn)電極、B相旋轉(zhuǎn)電極、C相旋轉(zhuǎn)電極緊靠在一起，形成一個空間分布周期。在定子表面圓周上可以由多個這樣的A、B、C相旋轉(zhuǎn)電極的周期性分布。A相導(dǎo)電環(huán)和A相旋轉(zhuǎn)電極通過A相電極連接柱相連，B相導(dǎo)電環(huán)和B相旋轉(zhuǎn)電極通過B相電極連接柱相連，C相導(dǎo)電環(huán)和C相旋轉(zhuǎn)電極通過C相電極連接柱相連。A相旋轉(zhuǎn)電極、B相旋轉(zhuǎn)電極、C相旋轉(zhuǎn)電極的徑向尺寸的最大值大于A相導(dǎo)電環(huán)的外徑，A相旋轉(zhuǎn)電極、B相旋轉(zhuǎn)電極、C相旋轉(zhuǎn)電極的徑向尺寸的最小值小于C相導(dǎo)電環(huán)的內(nèi)徑。軸向懸浮電極及軸向檢測電極對設(shè)置在A相旋轉(zhuǎn)電極、B相旋轉(zhuǎn)電極、C相旋轉(zhuǎn)電極的周圍。四個軸向檢測電極對分別位于與之最相鄰的兩個軸向懸浮電極之間。
轉(zhuǎn)子是五層圓平盤結(jié)構(gòu)，中間層是支撐層，采用硅，其上下兩表面為絕緣層，采用SiO2絕緣材料，絕緣層外是電荷馳豫層，采用具有電荷馳豫作用的注硼摻雜多晶硅材料。支撐層位于中間，采用強(qiáng)度較好及適合微細(xì)加工的Si材料，電荷馳豫層通過絕緣層與支撐層相連。
周邊結(jié)構(gòu)分別由徑向懸浮電極和電容檢測電極構(gòu)成。徑向檢測電極對位于相應(yīng)的兩個徑向懸浮電極之間，為了保證整個器件的性能，可采用真空封裝。
本發(fā)明具有軸向和徑向兩個懸浮設(shè)置，兩個懸浮設(shè)置可以相互補(bǔ)充，提高陀螺整體懸浮剛度和效果。
本發(fā)明軸向懸浮根據(jù)上下定子電容檢測獲得的轉(zhuǎn)子軸向位置，通過在軸向懸浮電極上施加電壓，利用上下定子軸向懸浮電極和轉(zhuǎn)子之間靜電力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸向懸浮。
本發(fā)明徑向懸浮利用周邊結(jié)構(gòu)電容檢測電極獲得轉(zhuǎn)子的徑向位置，通過徑向懸浮電極施加電壓，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向懸浮。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子旋轉(zhuǎn)電極上施加時序電壓脈沖，在定子表面形成旋轉(zhuǎn)電壓行波，由于電荷馳豫作用，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出滯后的電壓行波，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動。屬于異步電動機(jī)工作原理，不需要位置檢測和反饋回路。
本發(fā)明位置檢測徑向位置檢測是通過提取徑向檢測電極對和轉(zhuǎn)子之間的電容值來實(shí)現(xiàn)的。軸向位置檢測是通過提取上下定子軸向檢測電極與轉(zhuǎn)子之間的電容值來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的力矩施加通過上下定子的懸浮電極的電壓施加來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，利用電荷馳豫，通過定子表面旋轉(zhuǎn)電壓行波，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出滯后的電壓行波，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動，不需要轉(zhuǎn)速檢測既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動。通過在軸向設(shè)置軸向檢測和軸向懸浮電極，徑向檢測電極和徑向懸浮電極實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。整個器件采用MEMS微加工技術(shù)制成，易于實(shí)施。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低功耗的特點(diǎn)。


圖1本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明定子結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明周邊結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明由定子1、定子4、轉(zhuǎn)子3、周邊結(jié)構(gòu)2組合而成。定子1在上面，定子4在下面，定子1、4通過周邊結(jié)構(gòu)2相連構(gòu)成一個籠式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子3置于這個籠式結(jié)構(gòu)的中間。
如圖2所示，定子1和定子4的結(jié)構(gòu)，由截面為方形或矩形且處于同一平面層內(nèi)A相導(dǎo)電環(huán)8、B相導(dǎo)電環(huán)9、C相導(dǎo)電環(huán)7，多個A相旋轉(zhuǎn)電極15、多個A相電極連接柱14，多個B相旋轉(zhuǎn)電極16、多個B相電極連接柱17，多個C相旋轉(zhuǎn)電極18、多個C相電極連接柱19，軸向懸浮電極5、10、12、20及軸向檢測電極對6、11、13、21構(gòu)成。A相導(dǎo)電環(huán)8、B相導(dǎo)電環(huán)9、C相導(dǎo)電環(huán)7設(shè)置在具有絕緣層的基片表面上。A相旋轉(zhuǎn)電極15、B相旋轉(zhuǎn)電極16、C相旋轉(zhuǎn)電極18緊靠在一起，形成一個空間分布周期。在定子表面圓周上可以由多個這樣的A、B、C相旋轉(zhuǎn)電極的周期性分布。多個A相旋轉(zhuǎn)電極15通過多個A相電極連接柱14與A相導(dǎo)電環(huán)8與相連。多個B相旋轉(zhuǎn)電極16通過多個B相電極連接柱17與B相導(dǎo)電環(huán)9相連。多個C相旋轉(zhuǎn)電極18通過C相電極連接柱19與C相導(dǎo)電環(huán)7相連。A相旋轉(zhuǎn)電極15、B相旋轉(zhuǎn)電極16、C相旋轉(zhuǎn)電極18的徑向尺寸的最大值大于A相導(dǎo)電環(huán)8的外徑，A相旋轉(zhuǎn)電極15、B相旋轉(zhuǎn)電極16、C相旋轉(zhuǎn)電極18的徑向尺寸的最小值小于C相導(dǎo)電環(huán)7的內(nèi)徑。軸向懸浮電極5、10、12、20及軸向檢測電極對6、11、13、21被布置在多個A相、B相、C相旋轉(zhuǎn)電極15、16、18的周圍，并與多個旋轉(zhuǎn)電極15、16、18處于同一層。軸向檢測電極對6位于軸向懸浮電極5和10之間，軸向檢測電極對11位于軸向懸浮電極10和12之間，軸向檢測電極對13位于軸向懸浮電極12和20之間，軸向檢測電極對21位于軸向懸浮電極5和20之間。
如圖3所示，轉(zhuǎn)子3是五層圓平盤結(jié)構(gòu)，分別為電荷馳豫層22、26，絕緣層23、25，支撐層24，支撐層24位于中間，電荷馳豫層22、26分別通過絕緣層23、25與支撐層24相連。電荷馳豫層(22、26)采用具有電荷馳豫作用的注硼摻雜多晶硅材料；絕緣層(23、25)采用SiO2絕緣材料；支撐層(24)采用強(qiáng)度較好及適合微細(xì)加工的Si材料。
如圖4所示，周邊結(jié)構(gòu)2設(shè)置在轉(zhuǎn)子3周圍，由徑向懸浮電極28、30、32、34和徑向檢測電極對27、29、31、33構(gòu)成。徑向檢測電極對29位于徑向懸浮電極28和30之間，徑向檢測電極對31位于徑向電極30和32之間，徑向檢測電極對33位于徑向懸浮電極32和34之間，徑向檢測電極對27位于徑向懸浮電極28和34之間。
具體實(shí)施時，A相旋轉(zhuǎn)電極15、B相旋轉(zhuǎn)電極16、C相旋轉(zhuǎn)電極18的個數(shù)是可以根據(jù)需要來調(diào)整的，軸向懸浮電極5、10、12、20及軸向檢測電極對6、11、13、21，徑向懸浮電極28、30、32、34和徑向檢測電極對27、29、31、33的個數(shù)也是可以調(diào)整的。
權(quán)利要求
1.一種利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，由定子(1、4)、周邊結(jié)構(gòu)(2)、轉(zhuǎn)子(3)構(gòu)成，定子(1、4)上下設(shè)置，其特征在于，定子(1、4)通過周邊結(jié)構(gòu)(2)相連構(gòu)成一個籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)(2)設(shè)置在轉(zhuǎn)子(3)周圍，轉(zhuǎn)子(3)置于這個籠式結(jié)構(gòu)的中間，所述的周邊結(jié)構(gòu)(2)由徑向懸浮電極(28、30、32、34)和徑向檢測電極對(27、29、31、33)構(gòu)成，徑向檢測電極對(29)位于徑向懸浮電極(28、30)之間，徑向檢測電極對(31)位于徑向電極(30、32)之間，徑向檢測電極對(33)位于徑向懸浮電極(32、34)之間，徑向檢測電極對(27)位于徑向懸浮電極(28、34)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，其特征是，定子(1、4)結(jié)構(gòu)相同，由A相導(dǎo)電環(huán)(8)、B相導(dǎo)電環(huán)(9)、C相導(dǎo)電環(huán)(7)，A相旋轉(zhuǎn)電極(15)、A相電極連接柱(14)，B相旋轉(zhuǎn)電極(16)、B相電極連接柱(17)，C相旋轉(zhuǎn)電極(18)、C相電極連接柱(19)，軸向懸浮電極(5、10、12、20)及軸向檢測電極對(6、11、13、21)構(gòu)成，A相導(dǎo)電環(huán)(8)和A相旋轉(zhuǎn)電極(15)通過A相電極連接柱(14)相連，B相導(dǎo)電環(huán)(9)和B相旋轉(zhuǎn)電極(16)通過B相電極連接柱(17)相連，C相導(dǎo)電環(huán)(7)和C相旋轉(zhuǎn)電極(18)通過C相電極連接柱(19)相連，軸向懸浮電極(5、10、12、20)及軸向檢測電極對(6、11、13、21)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)電極(15、16、18)的周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，其特征是，軸向檢測電極對(6)位于軸向懸浮電極(5)和(10)之間，軸向檢測電極對(11)位于軸向懸浮電極(10)和(12)之間，軸向檢測電極對(13)位于軸向懸浮電極(12)和(20)之間，軸向檢測電極對(21)位于軸向懸浮電極(5)和(20)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，其特征是，A相旋轉(zhuǎn)電極(15)、B相旋轉(zhuǎn)電極(16)、C相旋轉(zhuǎn)電極(18)緊靠在一起，形成一個空間分布周期，在定子表面圓周上由多個這樣的A、B、C相旋轉(zhuǎn)電極的周期性分布，A相旋轉(zhuǎn)電極(15)、B相旋轉(zhuǎn)電極(16)、C相旋轉(zhuǎn)電極(18)的徑向尺寸的最大值大于A相導(dǎo)電環(huán)(8)的外徑，A相旋轉(zhuǎn)電極(15)、B相旋轉(zhuǎn)電極(16)、C相旋轉(zhuǎn)電極(18)的徑向尺寸的最小值小于C相導(dǎo)電環(huán)(7)的內(nèi)徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，其特征是，A相導(dǎo)電環(huán)(8)、B相導(dǎo)電環(huán)(9)、C相導(dǎo)電環(huán)(7)是截面為方形或矩形的導(dǎo)電圓環(huán)，且處于同一平面層內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，其特征是，轉(zhuǎn)子(3)是由電荷馳豫層(22、26)，絕緣層(23、25)，支撐層(24)構(gòu)成的五層圓平盤結(jié)構(gòu)，支撐層(24)位于中間，電荷馳豫層(22、26)分別通過絕緣層(23、25)與支撐層(24)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，其特征是，電荷馳豫層(22、26)采用具有電荷馳豫作用的注硼摻雜多晶硅材料，絕緣層(23、25)采用SiO2絕緣材料，支撐層(24)采用強(qiáng)度較好及適合微細(xì)加工的Si材料。
全文摘要
一種利用靜電和電荷馳豫工作的懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺，用于衛(wèi)星、汽車等導(dǎo)航控制領(lǐng)域。本發(fā)明由兩定子、周邊結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子構(gòu)成，兩定子上下設(shè)置，并通過周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一個籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)設(shè)置在轉(zhuǎn)子周圍，轉(zhuǎn)子置于這個籠式結(jié)構(gòu)的中間，周邊結(jié)構(gòu)由徑向懸浮電極和徑向檢測電極對構(gòu)成，徑向檢測電極對位于徑向懸浮電極和之間。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，利用電荷馳豫，不需要轉(zhuǎn)速檢測既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動。通過在軸向設(shè)置軸向檢測和軸向懸浮電極，徑向檢測電極和徑向懸浮電極實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮及位置檢測。整個器件采用MEMS微加工技術(shù)制成，易于實(shí)施。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低功耗的特點(diǎn)。
文檔編號G01C19/24GK1570563SQ20041001801
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 陳文元, 趙小林, 段永瑞, 崔峰 申請人:上海交通大學(xué)