專利名稱：基于soi工藝的微型靜電懸浮陀螺的制作方法
基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。 現(xiàn)有技術(shù)微機(jī)械慣性傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗微、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有MEMS慣性器件精度普遍不高，且不具有多軸角速度與加速度檢測的能力，這在一定程度上限制了其在對精度需求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。制作一款具有高精度、多軸檢測能力的慣性測量系統(tǒng)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本發(fā)明研究涉及一種基于SOI工藝，采用徑向控制電極實(shí)現(xiàn)懸浮驅(qū)動(dòng)的微型靜電懸浮陀螺， 從而降低微型靜電懸浮陀螺的加工難度，以期加快MEMS在制導(dǎo)及控制裝置領(lǐng)域的應(yīng)用。韓豐田、吳秋平等人在文獻(xiàn)“基于靜電懸浮轉(zhuǎn)子的硅微陀螺技術(shù)”(期刊中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，Vol. 16 No. 3, Jun. 2008)中，公開了一種基于玻璃-硅-玻璃鍵合工藝、采用環(huán)形轉(zhuǎn)子的微型靜電懸浮陀螺儀。參閱圖6，該微型靜電懸浮陀螺由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為 圓環(huán)狀轉(zhuǎn)子和徑向電極所在的硅層、上電極所在的上玻璃層、下電極所在的下玻璃層。在加工過程中，首先對三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分別加工，然后采用兩次玻-硅鍵合工藝將其粘結(jié)在一起； 其環(huán)形轉(zhuǎn)子的軸向控制是通過上玻璃層和下玻璃層中的懸浮電極驅(qū)動(dòng)的，環(huán)形轉(zhuǎn)子的徑向控制是通過硅層的徑向電極實(shí)現(xiàn)的，懸浮電極與徑向電極共同實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮控制； 環(huán)形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是通過上玻璃層和下玻璃層中的旋轉(zhuǎn)電極實(shí)現(xiàn)的，其原理與靜電馬達(dá)工作原理類似；該陀螺通過檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子與檢測電極間的電容差動(dòng)變化來敏感環(huán)形轉(zhuǎn)子位移信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)三軸線加速度和二軸角速度的檢測。該微型靜電懸浮陀螺的主要缺點(diǎn)為該陀螺環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮是通過上玻璃層與下玻璃層中的懸浮電極驅(qū)動(dòng)的，這種驅(qū)動(dòng)方式要求陀螺具有三層結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)層之間通過硅-玻鍵合工藝粘結(jié)在一起。然而，硅-玻鍵合工藝不僅成本較高，而且工藝復(fù)雜，增加了器件在加工過程中失效的概率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)工藝復(fù)雜、加工成本高、失效概率較大的缺點(diǎn)，提出一種基于 SOI工藝，采用徑向控制電極實(shí)現(xiàn)懸浮驅(qū)動(dòng)，具有雙層結(jié)構(gòu)的微型靜電懸浮陀螺。參閱圖1，本發(fā)明的基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺，包括上結(jié)構(gòu)層1、下結(jié)構(gòu)層 3以及兩者之間的二氧化硅絕緣層2 ；參閱圖2，所述上結(jié)構(gòu)層1包括環(huán)形轉(zhuǎn)子4，4個(gè)徑向檢測電極、8個(gè)徑向控制電極以及旋轉(zhuǎn)電極17 ;a個(gè)在圓弧方向?qū)挾葹棣鹊纳刃涡D(zhuǎn)電極17周向均布成圓環(huán)狀，位于環(huán)形轉(zhuǎn)子4內(nèi)側(cè)，所述圓環(huán)與環(huán)形轉(zhuǎn)子4圓心重合；所述徑向控制電極和徑向檢測電極均為扇形，且兩者內(nèi)徑相同，外徑也相同；兩個(gè)徑向控制電極之間為一徑向檢測電極，共同構(gòu)成一組徑向電極，所述的8個(gè)徑向控制電極和4個(gè)徑向檢測電極一共組成四組徑向電極，四組徑向電極共同構(gòu)成一圓環(huán)；各徑向檢測電極與相鄰的徑向控制電極之間的間距均相等；所述圓環(huán)與環(huán)形轉(zhuǎn)子4圓心重合，且圓環(huán)內(nèi)徑大于環(huán)形轉(zhuǎn)子4外徑；所述環(huán)形轉(zhuǎn)子4上靠近內(nèi)徑的一側(cè)周向均布有b個(gè)在圓弧方向上寬度為β的扇形缺口 18。a，b，θ，β滿足如下條件a = 3i，i為自然數(shù)；當(dāng)i > 1時(shí)，b = (2/3)a，當(dāng)i =1 時(shí)，b = 4 ； θ = 360° /b-β ；參閱圖3，下結(jié)構(gòu)層3包括4個(gè)軸向檢測電極和4個(gè)軸向控制電極，所述4個(gè)軸向檢測電極均布為一圓環(huán)狀，4個(gè)軸向控制電極也均布為圓環(huán)狀，兩圓環(huán)圓心重合，且前者外徑小于后者內(nèi)徑；所述軸向檢測電極的內(nèi)徑與上結(jié)構(gòu)層1上的環(huán)形轉(zhuǎn)子4內(nèi)徑相同；所述軸向控制電極的外徑與上結(jié)構(gòu)層1上的環(huán)形轉(zhuǎn)子4外徑相同；參閱圖4，所述上結(jié)構(gòu)層1中環(huán)形轉(zhuǎn)子4與下結(jié)構(gòu)層3中4個(gè)軸向檢測電極組成的環(huán)形同軸；所述二氧化硅絕緣層2使得環(huán)形轉(zhuǎn)子4形成懸置。假設(shè)參考坐標(biāo)系如下Χ軸平行于第一徑向控制電極6和第二徑向控制電極7的中線，y軸平行于第三徑向控制電極9和第四徑向控制電極10的中線，ζ軸垂直于χ軸和y
軸O本技術(shù)方案中，上結(jié)構(gòu)層1中的徑向控制電極與下結(jié)構(gòu)層3中的軸向控制電極共同組成微陀螺的懸浮控制系統(tǒng)。在不工作時(shí)，由于重力作用，環(huán)形轉(zhuǎn)子4自然置于下結(jié)構(gòu)層 3上。參閱圖1，由于上結(jié)構(gòu)層1與下結(jié)構(gòu)層3之間具有一定厚度的二氧化硅絕緣層2，因此， 在不工作時(shí)，環(huán)形轉(zhuǎn)子4低于上結(jié)構(gòu)層1中的徑向檢測電極和徑向控制電極。當(dāng)在相鄰的每對徑向控制電極上施加幅值相同，極性相反的直流偏置時(shí)，徑向控制電極將對環(huán)形轉(zhuǎn)子4 產(chǎn)生靜電吸引力，該靜電吸引力將在Z軸方向產(chǎn)生一個(gè)分力，從而抵消環(huán)形轉(zhuǎn)子4的重力， 實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子4的懸浮。當(dāng)微陀螺工作時(shí)，若環(huán)形轉(zhuǎn)子4往上移動(dòng)，可同時(shí)減小徑向控制電極上所施加的直流電壓的幅值，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4往下移動(dòng)，可同時(shí)增加徑向控制電極上所施加的直流電壓的幅值，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4繞χ軸或y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則在與環(huán)形轉(zhuǎn)子4間距增加的兩軸向控制電極上， 施加合適的幅值相同、極性相反的直流電壓，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿χ軸平動(dòng)，可在與環(huán)形轉(zhuǎn)子4間距增加且分布在χ軸兩側(cè)的兩相鄰電極上，施加合適的幅值相同、極性相反的直流電壓，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回至平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿y 軸平動(dòng)，依此類推。由于本發(fā)明中環(huán)形轉(zhuǎn)子4帶有缺口 18，旋轉(zhuǎn)電極17與缺口 18處的靜電力較小，與非缺口處的靜電力較大，因此，本發(fā)明通過給旋轉(zhuǎn)電極17施加一定順序的脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)。具體參閱圖5，本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)電極17共a個(gè)，定義環(huán)形轉(zhuǎn)子4上任意兩個(gè)相鄰缺口中間對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電極17為A，即A與非缺口位置相對應(yīng)，在A的順時(shí)針方向， 旋轉(zhuǎn)電極依次為B、C。通過給A、B、C依次循環(huán)施加一定的直流脈沖信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子 4的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明中位置檢測包括軸向位置檢測和徑向位置檢測。軸向位置檢測是通過提取環(huán)形轉(zhuǎn)子4與軸向檢測電極之間的電容值來實(shí)現(xiàn)的；徑向位置檢測是通過提取環(huán)形轉(zhuǎn)子 4與徑向檢測電極之間的電容值來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明在不同的軸向控制電極和徑向控制電極上，施加不同頻率的高頻交流載波信號(hào)，將載波信號(hào)通過電容耦合至環(huán)形轉(zhuǎn)子4上，然后通過與軸向檢測電極和徑向檢測電極連接的信號(hào)調(diào)理電路，檢測出環(huán)形轉(zhuǎn)子4的位置變化。 本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)二軸角速度以及三軸線加速度的檢測。本發(fā)明中上結(jié)構(gòu)層1和下結(jié)構(gòu)層3均由SOI硅片中的硅材料，經(jīng)過光刻、刻蝕、釋放、裂片等微細(xì)加工工藝制成；二氧化硅絕緣層2為SOI中二氧化硅絕緣層在經(jīng)過刻蝕、釋放等工藝后的剩余部分。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是提出了利用徑向控制電極實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮驅(qū)動(dòng)方式，僅需兩層結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮驅(qū)動(dòng)，免除了現(xiàn)有技術(shù)中必須的鍵合工藝，在降低加工成本的同時(shí)，大大的降低了微型靜電懸浮陀螺的工藝復(fù)雜度，從而提高了器件加工的成品率。下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1 本發(fā)明提出的基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺剖視2 圖1中上結(jié)構(gòu)層1的俯視3 圖1中下結(jié)構(gòu)層3的俯視4 上結(jié)構(gòu)層1和下結(jié)構(gòu)層3的結(jié)構(gòu)示意5 旋轉(zhuǎn)電極17的工作原理示意6 現(xiàn)有技術(shù)中提出的微型靜電懸浮陀螺示意中，1-上結(jié)構(gòu)層，2- 二氧化硅絕緣層，3-下結(jié)構(gòu)層，4-環(huán)形轉(zhuǎn)子，5-第一徑向檢測電極，6-第一徑向控制電極，7-第二徑向控制電極，8-第二徑向檢測電極，9-第三徑向控制電極，10-第四徑向控制電極，11-第三徑向檢測電極，12-第五徑向控制電極，13-第六徑向控制電極，14-第四徑向檢測電極，15-第七徑向控制電極，16-第八徑向控制電極，17-旋轉(zhuǎn)電極，18-缺口，19-第一軸向檢測電極，20-第二軸向檢測電極，21-第三軸向檢測電極， 22-第四軸向檢測電極，23-第一軸向控制電極，24-第二軸向控制電極，25-第三軸向控制電極，26-第四軸向控制電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)的說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例中的基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺包括上結(jié)構(gòu)層1、 下結(jié)構(gòu)層3以及兩者之間的二氧化硅絕緣層2。參閱圖2，所述上結(jié)構(gòu)層1包括環(huán)形轉(zhuǎn)子4，4個(gè)徑向檢測電極、8個(gè)徑向控制電極以及旋轉(zhuǎn)電極17 ；4個(gè)徑向檢測電極分別為第一徑向檢測電極5、第二徑向檢測電極8、第三徑向檢測電極11、第四徑向檢測電極14 ；8個(gè)徑向控制電極分別為第一徑向控制電極 6，第二徑向控制電極7，第三徑向控制電極9，第四徑向控制電極10，第五徑向控制電極12， 第六徑向控制電極13，第七徑向控制電極15，第八徑向控制電極16 ；12個(gè)在圓弧方向?qū)挾葹?8°的扇形旋轉(zhuǎn)電極17周向均布成圓環(huán)狀，位于環(huán)形轉(zhuǎn)子4內(nèi)側(cè)，所述圓環(huán)與環(huán)形轉(zhuǎn)子 4圓心重合；所述徑向控制電極和徑向檢測電極均為扇形，且兩者內(nèi)徑相同，外徑也相同；兩個(gè)徑向控制電極之間為一徑向檢測電極，共同構(gòu)成一組徑向電極，所述的8個(gè)徑向控制電極和4個(gè)徑向檢測電極一共組成四組徑向電極，四組徑向電極共同構(gòu)成一圓環(huán)；各徑向檢測電極與相鄰的徑向控制電極之間的間距均相等；所述圓環(huán)與環(huán)形轉(zhuǎn)子4圓心重合，且圓環(huán)內(nèi)徑大于環(huán)形轉(zhuǎn)子4外徑；所述環(huán)形轉(zhuǎn)子4上靠近內(nèi)徑的一側(cè)周向均布有8個(gè)在圓弧方向上寬度為27°的扇形缺口 18 ；參閱圖3，下結(jié)構(gòu)層3包括4個(gè)軸向檢測電極和4個(gè)軸向控制電極；4個(gè)軸向檢測電極分別為第一軸向檢測電極19，第二軸向檢測電極20，第三軸向檢測電極21，第四軸向檢測電極22 ;4個(gè)軸向控制電極分別為第一軸向控制電極23，第二軸向控制電極M，第三軸向控制電極25，第四軸向控制電極沈；所述4個(gè)軸向檢測電極均布為一圓環(huán)狀，4個(gè)軸向控制電極也均布為圓環(huán)狀，兩圓環(huán)圓心重合，且前者外徑小于后者內(nèi)徑；所述軸向檢測電極的內(nèi)徑與上結(jié)構(gòu)層1上的環(huán)形轉(zhuǎn)子4內(nèi)徑相同；所述軸向控制電極的外徑與上結(jié)構(gòu)層1上的環(huán)形轉(zhuǎn)子4外徑相同；參閱圖4，所述上結(jié)構(gòu)層1中環(huán)形轉(zhuǎn)子4與下結(jié)構(gòu)層3中4個(gè)軸向檢測電極組成的環(huán)形同軸；所述二氧化硅絕緣層2使得環(huán)形轉(zhuǎn)子4形成懸置。本發(fā)明中上結(jié)構(gòu)層1和下結(jié)構(gòu)層3分別由SOI硅片中的器件層與襯底層，經(jīng)過光刻、刻蝕、釋放、裂片等微細(xì)加工工藝加工而成；二氧化硅絕緣層2為SOI中二氧化硅絕緣層在經(jīng)過刻蝕、釋放等工藝后的剩余部分。假設(shè)參考坐標(biāo)系如下x軸平行于第一徑向控制電極6和第二徑向控制電極7的中線，y軸平行于第三徑向控制電極9和第四徑向控制電極10的中線，ζ軸垂直于χ軸和y
軸O本發(fā)明中環(huán)形轉(zhuǎn)子4的懸浮上結(jié)構(gòu)層1中的徑向控制電極與下結(jié)構(gòu)層3中的軸向控制電極共同組成微陀螺的懸浮控制系統(tǒng)。當(dāng)微陀螺工作時(shí)，本發(fā)明的懸浮控制包括以下幾個(gè)方面(1)若陀螺從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。在不工作時(shí)，由于重力作用，環(huán)形轉(zhuǎn)子 4自然置于下結(jié)構(gòu)層3上。參閱圖1，上結(jié)構(gòu)層1與下結(jié)構(gòu)層3之間具有一定厚度的氧化層， 因此，在本發(fā)明的微陀螺不工作時(shí)，環(huán)形轉(zhuǎn)子4低于上結(jié)構(gòu)層1中的徑向檢測電極和徑向控制電極。當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子4的初始位置與徑向檢測電極同軸時(shí)，在相鄰的兩個(gè)徑向控制電極上施加幅值相同，極性相反的直流電壓，且所有徑向控制電極上的直流電壓幅值相等，具體的為在第一徑向控制電極6和第二徑向控制電極7上，施加幅值為V，極性相反的直流電壓； 在第三徑向控制電極9和第四徑向控制電極10上，施加幅值為V，極性相反的直流電壓；在第五徑向控制電極12和第六徑向控制電極13上，施加幅值為V，極性相反的直流電壓；在第七徑向控制電極15和第八徑向控制電極16上，施加幅值為V，極性相反的直流電壓。此時(shí)，徑向控制電極將對環(huán)形轉(zhuǎn)子產(chǎn)生靜電吸引力，該靜電吸引力在Z軸方向的分力，用于抵消環(huán)形轉(zhuǎn)子的重力，實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮。當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子4的初始位置與徑向檢測電極不同軸時(shí)，即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子4位于非中心位置時(shí)，在相鄰的每對徑向控制電極上施加幅值相同，極性相反的直流電壓，但不同徑向控制電極上所施加的直流電壓的幅值不同，例如，環(huán)形轉(zhuǎn)子4偏離中心位置沿χ軸正方向移動(dòng)一定距離，則在第一徑向控制電極6和第二徑向控制電極7上，施加幅值為VI，極性相反的直流電壓；在第三徑向控制電極9和第四徑向控制電極10上，施加幅值為V2，極性相反的直流電壓；在第五徑向控制電極12和第六徑向控制電極13上，施加幅值為V3，極性相反的直流電壓；在第七徑向控制電極15和第八徑向控制電極16上，施加幅值為V4，極性相反的直流電壓；并且，V3 > V2 = V4 > VI，此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子4的懸浮。當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子4偏離中心位置，向其他方向移動(dòng)時(shí)，依此類推。(2)若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿ζ軸向上移動(dòng)。此時(shí)可減少8個(gè)徑向控制電極上所施加直流電壓的幅值，具體的，將第一徑向控制電極6、第三徑向控制電極9、第五徑向控制電極12、 第七徑向控制電極15上施加電壓的電壓變?yōu)?V-Δ V)，將第二徑向控制電極7、第四徑向控制電極10、第六徑向控制電極13、第八徑向控制電極16上施加電壓變?yōu)?(V-AV)，從而減小上述電極對環(huán)形轉(zhuǎn)子4的靜電力，從而把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿 ζ軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，依此類推。(3)若環(huán)形轉(zhuǎn)子4繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，左高右低，則在第三軸向控制電極25、第四軸向控制電極沈上施加幅值相等、相位相反的直流電壓，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。同理，若環(huán)形轉(zhuǎn)子4繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，左低右高，則在第一軸向控制電極23，第二軸向控制電極M 上施加幅值相等、相位相反的直流電壓，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4 繞χ軸轉(zhuǎn)動(dòng)，依此類推。(4)若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿χ正方向移動(dòng)時(shí)，則在第五徑向控制電極12，第六徑向控制電極13上，施加幅值相等，極性相反的直流電壓，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿χ負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，則在第一徑向控制電極6、第二徑向控制電極7上，施加幅值相等，極性相反的直流電壓，即可把環(huán)形轉(zhuǎn)子4拉回到平衡位置。若環(huán)形轉(zhuǎn)子4沿y軸移動(dòng)， 依此類推。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)由于本發(fā)明中環(huán)形轉(zhuǎn)子4帶有缺口，旋轉(zhuǎn)電極與環(huán)形轉(zhuǎn)子缺口處的靜電力較小，與環(huán)形轉(zhuǎn)子非缺口處的靜電力較大，因此，本發(fā)明通過給旋轉(zhuǎn)電極施加一定順序的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。具體的，本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)電極共12個(gè)，定義環(huán)形轉(zhuǎn)子上任意兩個(gè)相鄰缺口中間對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電極為A，即A與非缺口位置相對應(yīng)，在A的順時(shí)針方向，旋轉(zhuǎn)電極依次為B、C，如圖5所示。在第一周期內(nèi)，給B施加直流電壓，A與C用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子的位置；當(dāng)檢測到環(huán)形轉(zhuǎn)子上兩個(gè)相鄰缺口中間對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電極為B時(shí)，即B與非缺口位置相對應(yīng)時(shí)，給C施加直流電壓，A與B用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子的位置；當(dāng)檢測到環(huán)形轉(zhuǎn)子上兩個(gè)相鄰缺口中間對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電極為C時(shí)，即C與非缺口位置相對應(yīng)時(shí)，給A施加直流電壓，B與C用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子的位置…從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。本陀螺工作時(shí)，通過檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子與徑向檢測電極與軸向檢測電極之間的電容差動(dòng)變化來檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子位移信號(hào)。由于微靜電陀螺中環(huán)形轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)，環(huán)形轉(zhuǎn)子無法引線，本發(fā)明利用高頻交流信號(hào)耦合的方法，將高頻載波信號(hào)通過徑向控制電極、軸向控制電極耦合至環(huán)形轉(zhuǎn)子。具體的，在第一徑向控制電極6和第二徑向控制電極7上，施加幅值相同、頻率為Π、相位相差180°的載波；在第三徑向控制電極9和第四徑向控制電極10 上，施加幅值相同、頻率為f2、相位相差180°的載波；在第五徑向控制電極12和第六徑向控制電極13上，施加幅值相同、頻率為f3、相位相差180°的載波；在第七徑向控制電極15 和第八徑向控制電極上，施加幅值相同16、頻率為f4、相位相差180°的載波；在第一軸向控制電極23和第二軸向控制電極M上，施加幅值相同、頻率為f5、相位相差180°的載波； 在第三軸向控制電極25和第四軸向控制電極沈上，施加幅值相同、頻率為f6、相位相差 180°的載波。每個(gè)徑向檢測電極和軸向檢測電極與信號(hào)調(diào)理電路相連接，用于檢測環(huán)形轉(zhuǎn)子的位置變化。具體的，第一徑向檢測電極5連接信號(hào)調(diào)理電路1，處理頻率為fl和f4的交流調(diào)制信號(hào)；第二徑向檢測電極8連接信號(hào)調(diào)理電路2，處理頻率為fl和f2的交流調(diào)制信號(hào)； 第三徑向檢測電極11連接信號(hào)調(diào)理電路3，處理頻率為f2和f3的交流調(diào)制信號(hào)；第四徑向檢測電極14連接信號(hào)調(diào)理電路4，處理頻率為f3和f4的交流調(diào)制信號(hào)。第一軸向檢測電極19連接信號(hào)調(diào)理電路5，處理頻率為f5且相位與第一軸向控制電極23加載的載波相位相同的交流調(diào)制信號(hào)；第二軸向檢測電極20連接信號(hào)調(diào)理電路6，處理頻率為f5且相位與第二軸向控制電極M加載的載波相位相同的交流調(diào)制信號(hào)；第三軸向檢測電極21連接信號(hào)調(diào)理電路7，處理頻率為f6且相位與第三軸向控制電極25加載的載波相位相同的交流調(diào)制信號(hào)；第四軸向檢測電極22連接信號(hào)調(diào)理電路8，處理頻率為f6且相位與第四軸向控制電極26加載的載波相位相同的交流調(diào)制信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路9對信號(hào)調(diào)理電路1、信號(hào)調(diào)理電路2、信號(hào)調(diào)理電路3、信號(hào)調(diào)理電路4、信號(hào)調(diào)理電路5、信號(hào)調(diào)理電路6、信號(hào)調(diào)理電路7以及信號(hào)調(diào)理電路8的處理結(jié)果進(jìn)行處理，從而檢測出環(huán)形轉(zhuǎn)子的位置變化。通過以上信號(hào)調(diào)理方法，可以實(shí)現(xiàn)二軸角速度以及三軸線加速度的檢測。
權(quán)利要求
1.基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺，包括上結(jié)構(gòu)層(1)、下結(jié)構(gòu)層(3)以及兩者之間的二氧化硅絕緣層(2)；所述上結(jié)構(gòu)層⑴包括環(huán)形轉(zhuǎn)子⑷，4個(gè)徑向檢測電極、8個(gè)徑向控制電極以及旋轉(zhuǎn)電極(17) ；a個(gè)在圓弧方向?qū)挾葹棣鹊纳刃涡D(zhuǎn)電極(17)周向均布成圓環(huán)狀，位于環(huán)形轉(zhuǎn)子 (4)內(nèi)側(cè)，所述圓環(huán)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)圓心重合；所述徑向控制電極和徑向檢測電極均為扇形，且兩者內(nèi)徑相同，外徑也相同；兩個(gè)徑向控制電極之間為一徑向檢測電極，共同構(gòu)成一組徑向電極，所述的8個(gè)徑向控制電極和4個(gè)徑向檢測電極一共組成四組徑向電極，四組徑向電極共同構(gòu)成一圓環(huán)；各徑向檢測電極與相鄰的徑向控制電極之間的間距均相等；所述圓環(huán)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)圓心重合，且圓環(huán)內(nèi)徑大于環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)外徑；所述環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)上靠近內(nèi)徑的一側(cè)周向均布有b個(gè)在圓弧方向上寬度為β的扇形缺口(18) ；a, b，θ，β滿足如下條件a = 3i，i為自然數(shù)；當(dāng)i > 1時(shí)，b = (2/3)a，當(dāng)i =1 時(shí)，b = 4 ； θ = 360° /b-β ；下結(jié)構(gòu)層(3)包括4個(gè)軸向檢測電極和4個(gè)軸向控制電極，所述4個(gè)軸向檢測電極均布為一圓環(huán)狀，4個(gè)軸向控制電極也均布為圓環(huán)狀，兩圓環(huán)圓心重合，且前者外徑小于后者內(nèi)徑；所述軸向檢測電極的內(nèi)徑與上結(jié)構(gòu)層⑴上的環(huán)形轉(zhuǎn)子⑷內(nèi)徑相同；所述軸向控制電極的外徑與上結(jié)構(gòu)層(1)上的環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)外徑相同；所述上結(jié)構(gòu)層(1)中環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)與下結(jié)構(gòu)層(3)中4個(gè)軸向檢測電極組成的環(huán)形同軸；所述二氧化硅絕緣層(2)使得環(huán)形轉(zhuǎn)子(4)形成懸置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于SOI工藝的微型靜電懸浮陀螺，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用SOI硅片的器件層加工出環(huán)形轉(zhuǎn)子、徑向控制電極、徑向檢測電極，以及旋轉(zhuǎn)電極，利用SOI硅片的襯底層加工出軸向控制電極與軸向檢測電極。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，提出了利用徑向控制電極實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮驅(qū)動(dòng)方式，不需要在轉(zhuǎn)子上下設(shè)置電極，僅需兩層結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)環(huán)形轉(zhuǎn)子的懸浮驅(qū)動(dòng)，免除了現(xiàn)有技術(shù)中必須的鍵合工藝，在降低加工成本的同時(shí)，大大的降低了微型靜電懸浮陀螺的工藝復(fù)雜度，從而提高了器件加工的成品率。
文檔編號(hào)B81B3/00GK102435180SQ20111025538
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者常洪龍, 楊勇, 袁廣民, 謝建兵, 趙海濤, 郝永存 申請人:西北工業(yè)大學(xué)