CN102435180A - 基于soi工艺的微型静电悬浮陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺，属于微机电系统技术领域。本发明利用SOI硅片的器件层加工出环形转子、径向控制电极、径向检测电极，以及旋转电极，利用SOI硅片的衬底层加工出轴向控制电极与轴向检测电极。本发明结构简单，提出了利用径向控制电极实现环形转子的悬浮驱动方式，不需要在转子上下设置电极，仅需两层结构即可实现环形转子的悬浮驱动，免除了现有技术中必须的键合工艺，在降低加工成本的同时，大大的降低了微型静电悬浮陀螺的工艺复杂度，从而提高了器件加工的成品率。

Description

基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺

所属领域

本发明涉及一种基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺，属于微机电系统技术领域。

现有技术

微机械惯性传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗微、可靠性高等优点，已经在汽车、消费电子等领域取得了广泛的应用。然而，现有MEMS惯性器件精度普遍不高，且不具有多轴角速度与加速度检测的能力，这在一定程度上限制了其在对精度需求较高领域的应用。制作一款具有高精度、多轴检测能力的惯性测量系统，已经成为该领域的研究热点。本发明研究涉及一种基于SOI工艺，采用径向控制电极实现悬浮驱动的微型静电悬浮陀螺，从而降低微型静电悬浮陀螺的加工难度，以期加快MEMS在制导及控制装置领域的应用。

韩丰田、吴秋平等人在文献“基于静电悬浮转子的硅微陀螺技术”(期刊：中国惯性技术学报，Vol.16 No.3，Jun.2008)中，公开了一种基于玻璃-硅-玻璃键合工艺、采用环形转子的微型静电悬浮陀螺仪。参阅图6，该微型静电悬浮陀螺由三层结构组成，分别为：圆环状转子和径向电极所在的硅层、上电极所在的上玻璃层、下电极所在的下玻璃层。在加工过程中，首先对三层结构进行分别加工，然后采用两次玻-硅键合工艺将其粘结在一起；其环形转子的轴向控制是通过上玻璃层和下玻璃层中的悬浮电极驱动的，环形转子的径向控制是通过硅层的径向电极实现的，悬浮电极与径向电极共同实现环形转子的悬浮控制；环形转子的旋转是通过上玻璃层和下玻璃层中的旋转电极实现的，其原理与静电马达工作原理类似；该陀螺通过检测环形转子与检测电极间的电容差动变化来敏感环形转子位移信号，从而实现三轴线加速度和二轴角速度的检测。

该微型静电悬浮陀螺的主要缺点为：该陀螺环形转子的悬浮是通过上玻璃层与下玻璃层中的悬浮电极驱动的，这种驱动方式要求陀螺具有三层结构，不同结构层之间通过硅-玻键合工艺粘结在一起。然而，硅-玻键合工艺不仅成本较高，而且工艺复杂，增加了器件在加工过程中失效的概率。

发明内容

本发明针对现有技术工艺复杂、加工成本高、失效概率较大的缺点，提出一种基于SOI工艺，采用径向控制电极实现悬浮驱动，具有双层结构的微型静电悬浮陀螺。

参阅图1，本发明的基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺，包括上结构层1、下结构层3以及两者之间的二氧化硅绝缘层2；

参阅图2，所述上结构层1包括环形转子4，4个径向检测电极、8个径向控制电极以及旋转电极17；a个在圆弧方向宽度为θ的扇形旋转电极17周向均布成圆环状，位于环形转子4内侧，所述圆环与环形转子4圆心重合；

所述径向控制电极和径向检测电极均为扇形，且两者内径相同，外径也相同；两个径向控制电极之间为一径向检测电极，共同构成一组径向电极，所述的8个径向控制电极和4个径向检测电极一共组成四组径向电极，四组径向电极共同构成一圆环；各径向检测电极与相邻的径向控制电极之间的间距均相等；所述圆环与环形转子4圆心重合，且圆环内径大于环形转子4外径；

所述环形转子4上靠近内径的一侧周向均布有b个在圆弧方向上宽度为β的扇形缺口18。a，b，θ，β满足如下条件：a＝3i，i为自然数；当i＞1时，b＝(2/3)a，当i＝1时，b＝4；θ＝360°/b-β；

参阅图3，下结构层3包括4个轴向检测电极和4个轴向控制电极，所述4个轴向检测电极均布为一圆环状，4个轴向控制电极也均布为圆环状，两圆环圆心重合，且前者外径小于后者内径；所述轴向检测电极的内径与上结构层1上的环形转子4内径相同；所述轴向控制电极的外径与上结构层1上的环形转子4外径相同；

参阅图4，所述上结构层1中环形转子4与下结构层3中4个轴向检测电极组成的环形同轴；

所述二氧化硅绝缘层2使得环形转子4形成悬置。

假设参考坐标系如下：x轴平行于第一径向控制电极6和第二径向控制电极7的中线，y轴平行于第三径向控制电极9和第四径向控制电极10的中线，z轴垂直于x轴和y轴。

本技术方案中，上结构层1中的径向控制电极与下结构层3中的轴向控制电极共同组成微陀螺的悬浮控制系统。在不工作时，由于重力作用，环形转子4自然置于下结构层3上。参阅图1，由于上结构层1与下结构层3之间具有一定厚度的二氧化硅绝缘层2，因此，在不工作时，环形转子4低于上结构层1中的径向检测电极和径向控制电极。当在相邻的每对径向控制电极上施加幅值相同，极性相反的直流偏置时，径向控制电极将对环形转子4产生静电吸引力，该静电吸引力将在Z轴方向产生一个分力，从而抵消环形转子4的重力，实现环形转子4的悬浮。当微陀螺工作时，若环形转子4往上移动，可同时减小径向控制电极上所施加的直流电压的幅值，即可把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4往下移动，可同时增加径向控制电极上所施加的直流电压的幅值，即可把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4绕x轴或y轴转动，则在与环形转子4间距增加的两轴向控制电极上，施加合适的幅值相同、极性相反的直流电压，即可把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4沿x轴平动，可在与环形转子4间距增加且分布在x轴两侧的两相邻电极上，施加合适的幅值相同、极性相反的直流电压，即可把环形转子4拉回至平衡位置。若环形转子4沿y轴平动，依此类推。

由于本发明中环形转子4带有缺口18，旋转电极17与缺口18处的静电力较小，与非缺口处的静电力较大，因此，本发明通过给旋转电极17施加一定顺序的脉冲信号，可实现环形转子4的旋转。具体参阅图5，本发明中旋转电极17共a个，定义环形转子4上任意两个相邻缺口中间对应的旋转电极17为A，即A与非缺口位置相对应，在A的顺时针方向，旋转电极依次为B、C。通过给A、B、C依次循环施加一定的直流脉冲信号，可实现环形转子4的稳定旋转。

本发明中位置检测包括轴向位置检测和径向位置检测。轴向位置检测是通过提取环形转子4与轴向检测电极之间的电容值来实现的；径向位置检测是通过提取环形转子4与径向检测电极之间的电容值来实现的。本发明在不同的轴向控制电极和径向控制电极上，施加不同频率的高频交流载波信号，将载波信号通过电容耦合至环形转子4上，然后通过与轴向检测电极和径向检测电极连接的信号调理电路，检测出环形转子4的位置变化。本发明可以实现二轴角速度以及三轴线加速度的检测。

本发明中上结构层1和下结构层3均由SOI硅片中的硅材料，经过光刻、刻蚀、释放、裂片等微细加工工艺制成；二氧化硅绝缘层2为SOI中二氧化硅绝缘层在经过刻蚀、释放等工艺后的剩余部分。与现有技术相比，本发明的有益效果是：提出了利用径向控制电极实现环形转子的悬浮驱动方式，仅需两层结构即可实现环形转子的悬浮驱动，免除了现有技术中必须的键合工艺，在降低加工成本的同时，大大的降低了微型静电悬浮陀螺的工艺复杂度，从而提高了器件加工的成品率。

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：本发明提出的基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺剖视图

图2：图1中上结构层1的俯视图

图3：图1中下结构层3的俯视图

图4：上结构层1和下结构层3的结构示意图

图5：旋转电极17的工作原理示意图

图6：现有技术中提出的微型静电悬浮陀螺示意图

图中，1-上结构层，2-二氧化硅绝缘层，3-下结构层，4-环形转子，5-第一径向检测电极，6-第一径向控制电极，7-第二径向控制电极，8-第二径向检测电极，9-第三径向控制电极，10-第四径向控制电极，11-第三径向检测电极，12-第五径向控制电极，13-第六径向控制电极，14-第四径向检测电极，15-第七径向控制电极，16-第八径向控制电极，17-旋转电极，18-缺口，19-第一轴向检测电极，20-第二轴向检测电极，21-第三轴向检测电极，22-第四轴向检测电极，23-第一轴向控制电极，24-第二轴向控制电极，25-第三轴向控制电极，26-第四轴向控制电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例中的基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺包括：上结构层1、下结构层3以及两者之间的二氧化硅绝缘层2。

参阅图2，所述上结构层1包括环形转子4，4个径向检测电极、8个径向控制电极以及旋转电极17；4个径向检测电极分别为：第一径向检测电极5、第二径向检测电极8、第三径向检测电极11、第四径向检测电极14；8个径向控制电极分别为：第一径向控制电极6，第二径向控制电极7，第三径向控制电极9，第四径向控制电极10，第五径向控制电极12，第六径向控制电极13，第七径向控制电极15，第八径向控制电极16；12个在圆弧方向宽度为18°的扇形旋转电极17周向均布成圆环状，位于环形转子4内侧，所述圆环与环形转子4圆心重合；

所述径向控制电极和径向检测电极均为扇形，且两者内径相同，外径也相同；两个径向控制电极之间为一径向检测电极，共同构成一组径向电极，所述的8个径向控制电极和4个径向检测电极一共组成四组径向电极，四组径向电极共同构成一圆环；各径向检测电极与相邻的径向控制电极之间的间距均相等；所述圆环与环形转子4圆心重合，且圆环内径大于环形转子4外径；所述环形转子4上靠近内径的一侧周向均布有8个在圆弧方向上宽度为27°的扇形缺口18；

参阅图3，下结构层3包括4个轴向检测电极和4个轴向控制电极；4个轴向检测电极分别为：第一轴向检测电极19，第二轴向检测电极20，第三轴向检测电极21，第四轴向检测电极22；4个轴向控制电极分别为：第一轴向控制电极23，第二轴向控制电极24，第三轴向控制电极25，第四轴向控制电极26；所述4个轴向检测电极均布为一圆环状，4个轴向控制电极也均布为圆环状，两圆环圆心重合，且前者外径小于后者内径；所述轴向检测电极的内径与上结构层1上的环形转子4内径相同；所述轴向控制电极的外径与上结构层1上的环形转子4外径相同；

参阅图4，所述上结构层1中环形转子4与下结构层3中4个轴向检测电极组成的环形同轴；

所述二氧化硅绝缘层2使得环形转子4形成悬置。

本发明中上结构层1和下结构层3分别由SOI硅片中的器件层与衬底层，经过光刻、刻蚀、释放、裂片等微细加工工艺加工而成；二氧化硅绝缘层2为SOI中二氧化硅绝缘层在经过刻蚀、释放等工艺后的剩余部分。

假设参考坐标系如下：x轴平行于第一径向控制电极6和第二径向控制电极7的中线，y轴平行于第三径向控制电极9和第四径向控制电极10的中线，z轴垂直于x轴和y轴。

本发明中环形转子4的悬浮：上结构层1中的径向控制电极与下结构层3中的轴向控制电极共同组成微陀螺的悬浮控制系统。当微陀螺工作时，本发明的悬浮控制包括以下几个方面：

(1)若陀螺从静止状态进入稳定悬浮状态。在不工作时，由于重力作用，环形转子4自然置于下结构层3上。参阅图1，上结构层1与下结构层3之间具有一定厚度的氧化层，因此，在本发明的微陀螺不工作时，环形转子4低于上结构层1中的径向检测电极和径向控制电极。

当环形转子4的初始位置与径向检测电极同轴时，在相邻的两个径向控制电极上施加幅值相同，极性相反的直流电压，且所有径向控制电极上的直流电压幅值相等，具体的为：在第一径向控制电极6和第二径向控制电极7上，施加幅值为V，极性相反的直流电压；在第三径向控制电极9和第四径向控制电极10上，施加幅值为V，极性相反的直流电压；在第五径向控制电极12和第六径向控制电极13上，施加幅值为V，极性相反的直流电压；在第七径向控制电极15和第八径向控制电极16上，施加幅值为V，极性相反的直流电压。此时，径向控制电极将对环形转子产生静电吸引力，该静电吸引力在Z轴方向的分力，用于抵消环形转子的重力，实现环形转子的悬浮。

当环形转子4的初始位置与径向检测电极不同轴时，即当环形转子4位于非中心位置时，在相邻的每对径向控制电极上施加幅值相同，极性相反的直流电压，但不同径向控制电极上所施加的直流电压的幅值不同，例如，环形转子4偏离中心位置沿x轴正方向移动一定距离，则在第一径向控制电极6和第二径向控制电极7上，施加幅值为V1，极性相反的直流电压；在第三径向控制电极9和第四径向控制电极10上，施加幅值为V2，极性相反的直流电压；在第五径向控制电极12和第六径向控制电极13上，施加幅值为V3，极性相反的直流电压；在第七径向控制电极15和第八径向控制电极16上，施加幅值为V4，极性相反的直流电压；并且，V3＞V2＝V4＞V1，此时即可实现环形转子4的悬浮。当环形转子4偏离中心位置，向其他方向移动时，依此类推。

(2)若环形转子4沿z轴向上移动。此时可减少8个径向控制电极上所施加直流电压的幅值，具体的，将第一径向控制电极6、第三径向控制电极9、第五径向控制电极12、第七径向控制电极15上施加电压的电压变为(V-ΔV)，将第二径向控制电极7、第四径向控制电极10、第六径向控制电极13、第八径向控制电极16上施加电压变为-(V-ΔV)，从而减小上述电极对环形转子4的静电力，从而把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4沿z轴向下运动时，依此类推。

(3)若环形转子4绕y轴转动，左高右低，则在第三轴向控制电极25、第四轴向控制电极26上施加幅值相等、相位相反的直流电压，即可把环形转子4拉回到平衡位置。同理，若环形转子4绕y轴转动，左低右高，则在第一轴向控制电极23，第二轴向控制电极24上施加幅值相等、相位相反的直流电压，即可把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4绕x轴转动，依此类推。

(4)若环形转子4沿x正方向移动时，则在第五径向控制电极12，第六径向控制电极13上，施加幅值相等，极性相反的直流电压，即可把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4沿x负方向移动时，则在第一径向控制电极6、第二径向控制电极7上，施加幅值相等，极性相反的直流电压，即可把环形转子4拉回到平衡位置。若环形转子4沿y轴移动，依此类推。

本发明的旋转：由于本发明中环形转子4带有缺口，旋转电极与环形转子缺口处的静电力较小，与环形转子非缺口处的静电力较大，因此，本发明通过给旋转电极施加一定顺序的脉冲信号，实现环形转子的旋转。具体的，本发明中旋转电极共12个，定义环形转子上任意两个相邻缺口中间对应的旋转电极为A，即A与非缺口位置相对应，在A的顺时针方向，旋转电极依次为B、C，如图5所示。在第一周期内，给B施加直流电压，A与C用于检测环形转子的位置；当检测到环形转子上两个相邻缺口中间对应的旋转电极为B时，即B与非缺口位置相对应时，给C施加直流电压，A与B用于检测环形转子的位置；当检测到环形转子上两个相邻缺口中间对应的旋转电极为C时，即C与非缺口位置相对应时，给A施加直流电压，B与C用于检测环形转子的位置…从而实现环形转子的高速旋转驱动。

本陀螺工作时，通过检测环形转子与径向检测电极与轴向检测电极之间的电容差动变化来检测环形转子位移信号。由于微静电陀螺中环形转子在高速旋转，环形转子无法引线，本发明利用高频交流信号耦合的方法，将高频载波信号通过径向控制电极、轴向控制电极耦合至环形转子。具体的，在第一径向控制电极6和第二径向控制电极7上，施加幅值相同、频率为f1、相位相差180°的载波；在第三径向控制电极9和第四径向控制电极10上，施加幅值相同、频率为f2、相位相差180°的载波；在第五径向控制电极12和第六径向控制电极13上，施加幅值相同、频率为f3、相位相差180°的载波；在第七径向控制电极15和第八径向控制电极上，施加幅值相同16、频率为f4、相位相差180°的载波；在第一轴向控制电极23和第二轴向控制电极24上，施加幅值相同、频率为f5、相位相差180°的载波；在第三轴向控制电极25和第四轴向控制电极26上，施加幅值相同、频率为f6、相位相差180°的载波。

每个径向检测电极和轴向检测电极与信号调理电路相连接，用于检测环形转子的位置变化。具体的，第一径向检测电极5连接信号调理电路1，处理频率为f1和f4的交流调制信号；第二径向检测电极8连接信号调理电路2，处理频率为f1和f2的交流调制信号；第三径向检测电极11连接信号调理电路3，处理频率为f2和f3的交流调制信号；第四径向检测电极14连接信号调理电路4，处理频率为f3和f4的交流调制信号。第一轴向检测电极19连接信号调理电路5，处理频率为f5且相位与第一轴向控制电极23加载的载波相位相同的交流调制信号；第二轴向检测电极20连接信号调理电路6，处理频率为f5且相位与第二轴向控制电极24加载的载波相位相同的交流调制信号；第三轴向检测电极21连接信号调理电路7，处理频率为f6且相位与第三轴向控制电极25加载的载波相位相同的交流调制信号；第四轴向检测电极22连接信号调理电路8，处理频率为f6且相位与第四轴向控制电极26加载的载波相位相同的交流调制信号。

信号调理电路9对信号调理电路1、信号调理电路2、信号调理电路3、信号调理电路4、信号调理电路5、信号调理电路6、信号调理电路7以及信号调理电路8的处理结果进行处理，从而检测出环形转子的位置变化。通过以上信号调理方法，可以实现二轴角速度以及三轴线加速度的检测。

Claims (1)

1.基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺，包括上结构层(1)、下结构层(3)以及两者之间的二氧化硅绝缘层(2)；

所述上结构层(1)包括环形转子(4)，4个径向检测电极、8个径向控制电极以及旋转电极(17)；a个在圆弧方向宽度为θ的扇形旋转电极(17)周向均布成圆环状，位于环形转子(4)内侧，所述圆环与环形转子(4)圆心重合；

所述径向控制电极和径向检测电极均为扇形，且两者内径相同，外径也相同；两个径向控制电极之间为一径向检测电极，共同构成一组径向电极，所述的8个径向控制电极和4个径向检测电极一共组成四组径向电极，四组径向电极共同构成一圆环；各径向检测电极与相邻的径向控制电极之间的间距均相等；所述圆环与环形转子(4)圆心重合，且圆环内径大于环形转子(4)外径；

所述环形转子(4)上靠近内径的一侧周向均布有b个在圆弧方向上宽度为β的扇形缺口(18)；a，b，θ，β满足如下条件：a＝3i，i为自然数；当i＞1时，b＝(2/3)a，当i＝1时，b＝4；θ＝360°/b-β；

下结构层(3)包括4个轴向检测电极和4个轴向控制电极，所述4个轴向检测电极均布为一圆环状，4个轴向控制电极也均布为圆环状，两圆环圆心重合，且前者外径小于后者内径；所述轴向检测电极的内径与上结构层(1)上的环形转子(4)内径相同；所述轴向控制电极的外径与上结构层(1)上的环形转子(4)外径相同；

所述上结构层(1)中环形转子(4)与下结构层(3)中4个轴向检测电极组成的环形同轴；

所述二氧化硅绝缘层(2)使得环形转子(4)形成悬置。

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