CN101881616A - 振动式单框架微控制力矩陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种振动式单框架微控制力矩陀螺，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该机构由单一的结构层和支撑结构层的玻璃基底构成。结构层中，转子由弧形梳齿驱动，并通过支撑梁连接到框架上；框架由玻璃基底上的电极驱动，并将运动传递给转子；最终梳齿和框架的运动通过科氏效应产生输出力矩。该发明的有益效果是：1)结构层上的梳齿和外框电位可以实现分别控制；2)结构简单，转子和框架处于同一层，加工工艺较简单；3)采用折叠梁结构实现大位移驱动，减小结构的非线性效应，同时降低了驱动电压；4)在结构设计时分析推导了驱动用电极和结构层之间的尺寸关系，以避免“静电吸合”现象的产生，防止结构失效。

Description

振动式单框架微控制力矩陀螺
所属领域
本发明涉及一种采用微机电系统(MEMS)技术实现的振动式单框架微控制力矩陀螺，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。
背景技术
使用MEMS技术的控制力矩陀螺可以减小尺寸和重量，降低成本。本发明研究采用微机电系统技术实现的振动式单框架微控制力矩陀螺，以期加快MEMS在制导或控制装置领域的应用。单框架控制力矩陀螺的原理为：转子转动形成沿Z轴的动量矩Iω，框架以沿Y轴的转速Ω转动，带动转子动量矩方向发生改变，则输出沿X轴的力矩IωΩ。
Joel Reiter，Karl Boehringer等人在文献“MEMS控制力矩陀螺设计和基于硅片的航天器框架研究”(MEMS control moment gyroscope design and wafer-based spacecraft chassis study，Proc.SPIE onMicro-machined Devices and Components V，Vol.3876，p.122-128，1999)中，公开了一种使用MEMS技术的振动式单框架微控制力矩陀螺。参阅图4，该控制力矩陀螺的多晶硅转子通过两根梁连到中心轴上，中心轴将转子悬置在活动板上，活动板通过两根框架梁连到外框架，外框架将活动板悬置于玻璃基底上。转子上旋出两组反向的活动梳齿，活动板上有对应的固定梳齿。活动板上有活动电极，玻璃基底上有与活动电极相对的固定电极。导线将固定梳齿和活动电极沿框架梁连接到外框架以实现电连接。工作时，活动梳齿和固定梳齿驱动转子沿周向振动，活动电极和固定电极驱动活动板绕框架梁振动，同时带动转子的动量矩方向发生改变，从而得到力矩输出。
该控制力矩陀螺有如下不足：
1)固定梳齿和活动电极通过导线连接到同一电位，两者的电位不能实现分别控制；2)结构复杂，转子和活动板分为两层，加工工艺繁琐；3)导线固定在活动板和框架梁上，活动板和框架梁在工作时处于活动状态，导致导线容易发生断裂等失效；4)梁结构采用直梁形式，在发生大位移时非线性效应显著，不容易获得大位移驱动。
发明内容
本发明的目的在于公开一种新的振动式单框架微控制力矩陀螺，以解决现有技术中的如下问题：1)微控制力矩陀螺结构和工艺复杂问题；2)导线因振动而容易失效问题；3)发生大位移时的非线性问题。
本发明的技术方案是：一种振动式单框架微控制力矩陀螺，由结构层1和基底3构成。结构层1材料为半导体材料，基底3是可以与结构层1材料键合的绝缘材料。
参阅图1、图2，结构层1包括由中心圆11和扇环5组成的转子16、折叠梁7、活动梳齿10、固定梳齿9、外框4，所有结构厚度一致。中心圆11的周向均布有若干个以中心圆11半径为内径的扇环5，扇环5的外径小于外框4到中心圆11圆心的最小距离，每个扇环5两侧径向对称分布有若干个活动梳齿10，每个活动梳齿10与对应的固定梳齿9构成一组梳齿对，固定梳齿9通过梳齿锚点8与基底3相连。每两个相邻的扇环5之间布有一个将外框4和转子16连接起来的折叠梁7，外框4通过外框锚点6悬置在基底3上。
参阅图2、图3，对应结构层1上的外框锚点6的位置，基底3上布有相应的键合点14，在基底3上与外框4的四个顶点对应的位置布有四个外框驱动用电极12；对应结构层1上的固定梳齿9的位置，基底3上布有若干个梳齿驱动用电极15；基底3上的键合点14、外框驱动用电极12、梳齿驱动用电极15通过导线13引至相应的打线点2。
外框驱动用电极12沿X方向的最远距离L和结构层1的X向最宽尺寸L0之间的关系满足：L＜0.4404L0，以防止发生“吸合”。
工作时，驱动电信号依次通过基底3上打线点2-导线13-梳齿驱动用电极15，使得结构层1上的活动梳齿10与固定梳齿9产生转子16振动的驱动力，折叠梁7提供转子16振动的恢复力，在驱动力与恢复力的共同作用下，转子16形成与XY平面垂直的动量矩。同时，驱动电信号依次通过基底3上打线点2-导线13-键合点14传至结构层1；驱动电信号依次通过基底3上打线点2-导线13传至外框驱动用电极12，这样，由于外框驱动用电极12和结构层1之间的电位差产生的静电力，驱动结构层1绕X轴振动，这样，转子16的动量矩方向发生改变，从而输出沿Y轴的力矩。
本发明的有益效果是：1)结构层上的梳齿和外框分别连至相应的打线点，两者电位可以实现分别控制；2)结构简单，转子和外框处于同一层，加工工艺较简单；3)采用折叠梁结构实现大位移驱动，减小结构的非线性效应，同时降低了驱动电压；4)为避免“静电吸合”现象的产生，在结构设计时分析推导了驱动用电极和结构层之间的尺寸关系，以防止结构由于驱动电压过大而出现结构失效。
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
附图说明
图1：本发明提出的微控制力矩陀螺主视图
图2：结构层示意图
图3：基底上电极分布图
图4：现有技术中Joel Reiter等人提出的微控制力矩陀螺示意图
图中，1-结构层，2-打线点，3-基底，4-外框，5-扇环，6-外框锚点，7-折叠梁，8-梳齿锚点，9-固定梳齿，10-活动梳齿，11-中心圆，12-外框驱动用电极，13-导线，14-键合点，15-梳齿驱动用电极，16-转子
具体实施方式
参阅图1，本发明公开的振动式单框架微控制力矩陀螺，由结构层1和基底3构成。结构层1导电，材料是硅，基底3材料是玻璃。
参阅图1、图2，结构层1包括由中心圆11和扇环5组成的转子16、折叠梁7、活动梳齿10、固定梳齿9、外框4，所有结构厚度为100um。中心圆11半径为1000μm，其周向均布有四个内径为1000μm、外径为1430μm的扇环5，扇环5的外径为1430um，外框4到中心圆11圆心的最小距离为1460μm。
每个扇环5两侧径向对称分布有四个活动梳齿10，每个活动梳齿10与对应的固定梳齿9构成一组梳齿对，固定梳齿9通过梳齿锚点8与基底3相连。每两个相邻的扇环5之间布有一个将外框4和转子16连接起来的折叠梁7，外框4通过外框锚点6悬置在基底3上。
参阅图2、图3，对应结构层1上的外框锚点6的位置，基底3上布有两个键合点14，以基底3的中心为对称中心布有四个三角形的外框驱动用电极12，外框驱动用电极12的X向尺寸750um，Y向尺寸750um；对应结构层1上的固定梳齿9的位置，基底3上布有八个梳齿驱动用电极15；基底3上的键合点14、外框驱动用电极12、梳齿驱动用电极15通过导线13引至相应的打线点2；键合点14、外框驱动用电极12、梳齿驱动用电极15都是金制的。
工作时，驱动电信号依次通过基底3上打线点2-导线13-梳齿驱动用电极15，使得结构层1上的活动梳齿10与固定梳齿9产生转子16振动的驱动力，折叠梁7提供转子16振动的恢复力，在驱动力与恢复力的共同作用下，转子16形成与XY平面垂直的动量矩。同时，驱动电信号依次通过基底3上打线点2-导线13-键合点14传至结构层1；驱动电信号依次通过基底3上打线点2-导线13传至外框驱动用电极12，这样，由于外框驱动用电极12和结构层1之间的电位差产生的静电力，驱动结构层1绕X轴振动，这样，转子16的动量矩方向发生改变，从而输出沿Y轴的力矩。

Claims (2)

1.一种振动式单框架微控制力矩陀螺，其特征在于，由结构层(1)和基底(3)构成；结构层(1)材料为半导体材料，基底(3)是可以与结构层(1)材料键合的绝缘材料；
所述的结构层(1)包括由中心圆(11)和扇环(5)组成的转子(16)、折叠梁(7)、活动梳齿(10)、固定梳齿(9)、外框(4)，所有结构厚度一致；中心圆(11)的周向均布有若干个以中心圆(11)半径为内径的扇环(5)，扇环(5)的外径小于外框(4)到中心圆(11)圆心的最小距离，每个扇环(5)两侧径向对称分布有若干个活动梳齿(10)，每个活动梳齿(10)与对应的固定梳齿(9)构成一组梳齿对，固定梳齿(9)通过梳齿锚点(8)与基底(3)相连；每两个相邻的扇环(5)之间布有一个将外框(4)和转子(16)连接起来的折叠梁(7)，外框(4)通过外框锚点(6)悬置在基底(3)上；
对应结构层(1)上的外框锚点(6)的位置，基底(3)上布有相应的键合点(14)，在基底(3)上与外框(4)的四个顶点对应的位置布有四个外框驱动用电极(12)；对应结构层(1)上的固定梳齿(9)的位置，基底(3)上布有若干个梳齿驱动用电极(15)；基底(3)上的键合点(14)、外框驱动用电极(12)、梳齿驱动用电极(15)通过导线(13)引至相应的打线点(2)。
2.一种振动式单框架微控制力矩陀螺，其特征在于，所述的外框驱动用电极12沿X方向的最远距离L和结构层1的X向最宽尺寸L0之间的关系满足：L＜0.4404 L0。
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