CN100350215C

CN100350215C - 利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子mems微陀螺

Info

Publication number: CN100350215C
Application number: CNB2004100180157A
Authority: CN
Inventors: 张卫平; 陈文元; 赵小林; 段永瑞; 崔峰
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: CN1570563A

Abstract

一种利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，用于卫星、汽车等导航控制领域。本发明由两定子、周边结构、转子构成，两定子上下设置，并通过周边结构相连构成一个笼式结构，周边结构设置在转子周围，转子置于这个笼式结构的中间，周边结构由径向悬浮电极和径向检测电极对构成，径向检测电极对位于径向悬浮电极和之间。本发明结构简单，利用电荷驰豫，不需要转速检测既可以实现转子恒高速转动。通过在轴向设置轴向检测和轴向悬浮电极，径向检测电极和径向悬浮电极实现转子的稳定悬浮及位置检测。整个器件采用MEMS微加工技术制成，易于实施。具有尺寸小，重量轻，成本低，精度高，低功耗的特点。

Description

利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微机电系统)微陀螺，特别是一种利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，用于卫星、汽车等导航控制领域。

背景技术

MEMS器件具有微小化、低成本、低能耗、可批量化的特点，近年来，各国的学者、工程师尝试设计和制造悬浮转子MEMS微陀螺。

经文献检索发现美国专利“加速检测型陀螺和制造方法(acceleration-detectingtype gyro and manufacturing method thereof)”(专利号5920983)提到一种能同时测量二轴角速度和三轴线加速度的悬浮转子的静电微陀螺，采用玻璃—硅—玻璃键合结构，定子是在玻璃上制作电极形成，硅起连接作用。转子采用单晶硅材料制成。其主要特点是在硅转子的上、下面上刻有许多同心环形凹槽以形成转子的同心环形突出悬浮电极，相应地，在每侧的玻璃衬底上沿周向均布4组悬浮电极，每组悬浮电极由一对梳状电极构成，这一对梳状电极的弧形梳齿交叉布置，其梳齿宽度、相邻间距与转子上的环形突出电极相同，但布置的径向位置错开一定距离，这样，悬浮电极间的静电力不仅用于转子轴向的悬浮，而且对转子径向的悬浮也具有定心作用。该专利陀螺转子的旋转是基于可变电容静电微马达的原理工作的。

该技术存在如下不足，由于上述的梳状电极对转子的径向恢复控制力相比对转子轴向的悬浮控制力要小许多，因此该专利所描述的陀螺的转子径向的控制精度和灵敏度要低于轴向的；由于采用可变电容使转子高速旋转，定转子上必须有分离的电极或相当于电极的陆域，结构复杂。同时为了保证转子的恒高速转动，必须实时检测定转子的相对位置并决定子电极的电压施加顺序，必须有专门的转子恒高速检测控制回路。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提出一种利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，使其利用电荷驰豫使转子恒高速转动，转子上不需要设置电极，因而可做成圆平盘，结构和控制简单，也方便了加工；通过设置轴向和径向悬浮电极实现悬浮和加矩稳定；通过检测电极对来实现位置检测。

本发明通过以下技术方案来实现的。本发明陀螺整体采用三明治结构，分为上定子、转子、下定子、周边结构四部分构成。上下定子通过周边结构相连构成一个笼式结构，转子置于这个笼式结构的中间。定子的功能有两个，一是在其表面能够形成旋转电压行波，在转子的电荷驰豫层感应出滞后的电压行波，从而带动转子高速旋转；一是实现轴向位置检测、悬浮和加矩稳定。周边结构的功能是实现径向检测和悬浮。

上下定子只是空间朝向不同，其结构相同，由截面为方形或矩形且处于同一平面层内A相导电环、B相导电环、C相导电环，A相旋转电极、A相电极连接柱，B相旋转电极、B相电极连接柱，C相旋转电极、C相电极连接柱，轴向悬浮电极及轴向检测电极对构成。A相旋转电极、B相旋转电极、C相旋转电极紧靠在一起，形成一个空间分布周期。在定子表面圆周上可以由多个这样的A、B、C相旋转电极的周期性分布。A相导电环和A相旋转电极通过A相电极连接柱相连，B相导电环和B相旋转电极通过B相电极连接柱相连，C相导电环和C相旋转电极通过C相电极连接柱相连。A相旋转电极、B相旋转电极、C相旋转电极的径向尺寸的最大值大于A相导电环的外径，A相旋转电极、B相旋转电极、C相旋转电极的径向尺寸的最小值小于C相导电环的内径。轴向悬浮电极及轴向检测电极对设置在A相旋转电极、B相旋转电极、C相旋转电极的周围。四个轴向检测电极对分别位于与之最相邻的两个轴向悬浮电极之间。

转子是五层圆平盘结构，中间层是支撑层，采用硅，其上下两表面为绝缘层，采用SiO₂绝缘材料，绝缘层外是电荷驰豫层，采用具有电荷驰豫作用的注硼掺杂多晶硅材料。支撑层位于中间，采用强度较好及适合微细加工的Si材料，电荷驰豫层通过绝缘层与支撑层相连。

周边结构分别由径向悬浮电极和电容检测电极构成。径向检测电极对位于相应的两个径向悬浮电极之间，为了保证整个器件的性能，可采用真空封装。

本发明具有轴向和径向两个悬浮设置，两个悬浮设置可以相互补充，提高陀螺整体悬浮刚度和效果。

本发明轴向悬浮：根据上下定子电容检测获得的转子轴向位置，通过在轴向悬浮电极上施加电压，利用上下定子轴向悬浮电极和转子之间静电力，实现转子轴向悬浮。

本发明径向悬浮：利用周边结构电容检测电极获得转子的径向位置，通过径向悬浮电极施加电压，实现转子径向悬浮。

本发明转子旋转：在定子旋转电极上施加时序电压脉冲，在定子表面形成旋转电压行波，由于电荷驰豫作用，在转子上感应出滞后的电压行波，进而带动转子恒高速转动。属于异步电动机工作原理，不需要位置检测和反馈回路。

本发明位置检测：径向位置检测是通过提取径向检测电极对和转子之间的电容值来实现的。轴向位置检测是通过提取上下定子轴向检测电极与转子之间的电容值来实现的。

本发明的力矩施加：通过上下定子的悬浮电极的电压施加来实现的。

本发明结构简单，利用电荷驰豫，通过定子表面旋转电压行波，在转子上感应出滞后的电压行波，进而带动转子恒高速转动，不需要转速检测既可以实现转子恒高速转动。通过在轴向设置轴向检测和轴向悬浮电极，径向检测电极和径向悬浮电极实现转子的稳定悬浮。整个器件采用MEMS微加工技术制成，易于实施。具有尺寸小，重量轻，成本低，精度高，低功耗的特点。

附图说明

图1本发明总体结构示意图

图2本发明定子结构示意图

图3本发明转子结构示意图

图4本发明周边结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明由定子1、定子4、转子3、周边结构2组合而成。定子1在上面，定子4在下面，定子1、4通过周边结构2相连构成一个笼式结构，转子3置于这个笼式结构的中间。

如图2所示，定子1和定子4的结构，由截面为方形或矩形且处于同一平面层内A相导电环8、B相导电环9、C相导电环7，多个A相旋转电极15、多个A相电极连接柱14，多个B相旋转电极16、多个B相电极连接柱17，多个C相旋转电极18、多个C相电极连接柱19，轴向悬浮电极5、10、12、20及轴向检测电极对6、11、13、21构成。A相导电环8、B相导电环9、C相导电环7设置在具有绝缘层的基片表面上。A相旋转电极15、B相旋转电极16、C相旋转电极18紧靠在一起，形成一个空间分布周期。在定子表面圆周上可以由多个这样的A、B、C相旋转电极的周期性分布。多个A相旋转电极15通过多个A相电极连接柱14与A相导电环8与相连。多个B相旋转电极16通过多个B相电极连接柱17与B相导电环9相连。多个C相旋转电极18通过C相电极连接柱19与C相导电环7相连。A相旋转电极15、B相旋转电极16、C相旋转电极18的径向尺寸的最大值大于A相导电环8的外径，A相旋转电极15、B相旋转电极16、C相旋转电极18的径向尺寸的最小值小于C相导电环7的内径。轴向悬浮电极5、10、12、20及轴向检测电极对6、11、13、21被布置在多个A相、B相、C相旋转电极15、16、18的周围，并与多个旋转电极15、16、18处于同一层。轴向检测电极对6位于轴向悬浮电极5和10之间，轴向检测电极对11位于轴向悬浮电极10和12之间，轴向检测电极对13位于轴向悬浮电极12和20之间，轴向检测电极对21位于轴向悬浮电极5和20之间。

如图3所示，转子3是五层圆平盘结构，分别为电荷驰豫层22、26，绝缘层23、25，支撑层24，支撑层24位于中间，电荷驰豫层22、26分别通过绝缘层23、25与支撑层24相连。电荷驰豫层(22、26)采用具有电荷驰豫作用的注硼掺杂多晶硅材料；绝缘层(23、25)采用SiO₂绝缘材料；支撑层(24)采用强度较好及适合微细加工的Si材料。

如图4所示，周边结构2设置在转子3周围，由径向悬浮电极28、30、32、34和径向检测电极对27、29、31、33构成。径向检测电极对29位于径向悬浮电极28和30之间，径向检测电极对31位于径向电极30和32之间，径向检测电极对33位于径向悬浮电极32和34之间，径向检测电极对27位于径向悬浮电极28和34之间。

具体实施时，A相旋转电极15、B相旋转电极16、C相旋转电极18的个数是可以根据需要来调整的，轴向悬浮电极5、1O、12、20及轴向检测电极对6、11、13、21，径向悬浮电极28、30、32、34和径向检测电极对27、29、31、33的个数也是可以调整的。

Claims

1、一种利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，由上定子(1)、下定子(4)、周边结构(2)、转子(3)构成，上定子(1)、下定子(4)上下设置，其特征在于，上定子(1)、下定子(4)通过周边结构(2)相连构成一个笼式结构，周边结构(2)设置在转子(3)周围，转子(3)置于这个笼式结构的中间，所述的周边结构(2)由四个径向悬浮电极(28、30、32、34)和四个径向检测电极对(27、29、31、33)构成，每个径向检测电极对位于相应的两个径向悬浮电极之间。

2、根据权利要求1所述的利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，其特征是，上定子(1)、下定子(4)结构相同，由A相导电环(8)、B相导电环(9)、C相导电环(7)、A相旋转电极(15)、A相电极连接柱(14)、B相旋转电极(16)、B相电极连接柱(17)、C相旋转电极(18)、C相电极连接柱(19)、四个轴向悬浮电极(5、10、12、20)及四个轴向检测电极对(6、11、13、21)构成，A相导电环(8)和A相旋转电极(15)通过A相电极连接柱(14)相连，B相导电环(9)和B相旋转电极(16)通过B相电极连接柱(17)相连，C相导电环(7)和C相旋转电极(18)通过C相电极连接柱(19)相连，轴向悬浮电极(5、10、12、20)及轴向检测电极对(6、11、13、21)设置在旋转电极(15、16、18)的周围。

3、根据权利要求2所述的利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，其特征是，每个轴向检测电极对位于与之最相邻的两个轴向悬浮电极之间。

4、根据权利要求2所述的利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，其特征是，A相旋转电极(15)、B相旋转电极(16)、C相旋转电极(18)紧靠在一起，形成一个空间分布周期，在定子表面圆周上由多个这样的A、B、C相旋转电极的周期性分布，A相旋转电极(15)、B相旋转电极(16)、C相旋转电极(18)的径向尺寸的最大值大于A相导电环(8)的外径，A相旋转电极(15)、B相旋转电极(16)、C相旋转电极(18)的径向尺寸的最小值小于C相导电环(7)的内径。

5、根据权利要求2所述的利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，其特征是，A相导电环(8)、B相导电环(9)、C相导电环(7)是截面为方形或矩形的导电圆环，且处于同一平面层内。

6、根据权利要求1所述的利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，其特征是，转子(3)是五层圆平盘结构，中间层是支撑层(24)，其上下两表面是绝缘层(23、25)，绝缘层(23、25)之外是电荷驰豫层(22、26)，电荷驰豫层(22、26)通过绝缘层(23、25)与支撑层(24)相连。

7、根据权利要求6所述的利用静电和电荷驰豫工作的悬浮转子MEMS微陀螺，其特征是，电荷驰豫层(22、26)采用具有电荷驰豫作用的注硼掺杂多晶硅材料，绝缘层(23、25)采用SiO₂绝缘材料，支撑层(24)采用强度较好及适合微细加工的Si材料。