CN105424017B - 一种基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，包括上玻璃盖板、下玻璃盖板及采用低电阻率硅制成的硅敏感结构，硅敏感结构布置于上玻璃盖板、下玻璃盖板之间，硅敏感结构的应力释放框架的中部设有主梁，主梁上设有偶数组质量块，每组质量块包括相对主梁对称布置的两个质量块，质量块分别通过支撑梁和主梁相连，上玻璃盖板、下玻璃盖板上均设有偶数组金属电极，一组金属电极和一组质量块一一对应，且每组质量块位于上玻璃盖板上对应的金属电极、下玻璃盖板上对应的金属电极之间。本发明具有驱动振幅不受电容间隙限制、结构对称性好、受空气阻尼影响小、灵敏度高、结构简单的优点。

Description

一种基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺

技术领域

本发明涉及硅微机械陀螺，具体涉及一种基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺。

背景技术

硅微机械陀螺一般由支撑梁和质量块组成，多采用静电驱动、电容检测的形式。硅微机械陀螺包括两个模态：驱动模态和检测模态。质量块在静电力的作用下沿驱动轴方向做简谐振动，称为驱动模态；当在角速度输入方向存在角速度信号时，由哥氏力效应产生的哥氏力使得质量块在检测轴方向产生振动，称为检测模态。检测模态检测电容变化，电容变化量与输入角速度和驱动模态振幅成正比，通过自动增益控制实现驱动模态的恒幅振动，这样便可以通过测量检测模态电容变化量来反应出输入角速度大小。

对于无限大平行板电极，利用虚位移原理，可得平行板间的静电力大小如式(1)所示；

$F_n=\frac{\mathrm{\ϵ}A}{2{d_0}^2}{V}^2---\left(1\right)$

式(1)中，ε为介电常数，A为电极面积，V为极板间的电压差，d₀为电极间距离，力的方向为垂直于极板方向，可将此方向称为法向。

若忽略边缘效应，式(1)也可应用于有限大小的平行板，此时A为两极板间的正对面积，如图1所示。当两极板非正对但仍有正对面积时，会产生两个方向的静电力，如图2所示，静电力的大小分别如式(2)所示；

$\left\{\begin{array}{c}{F}_n=\frac{{\mathrm{\ϵbaV}}^2}{2d^2}\\ F_r=\frac{{\mathrm{\ϵbV}}^2}{2d}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，F_n为法向静电力，F_r为切向静电力，其余各参数与式(1)中相同。根据式(2)可以看出，法向静电力仍然与极板的正对面积成正比，而切向静电力只与极板的宽度b有关，而与极板间的重叠宽度a没有关系。基于上述发现，如何利用静电力的这种切向效应来驱动陀螺工作，已成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种驱动振幅不受电容间隙限制、结构对称性好、受空气阻尼影响小、灵敏度高、结构简单的基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，包括上玻璃盖板、下玻璃盖板及采用低电阻率硅制成的硅敏感结构，所述硅敏感结构布置于上玻璃盖板、下玻璃盖板之间形成三层结构，所述硅敏感结构包括应力释放框架，所述应力释放框架的中部设有主梁，所述主梁上设有偶数组质量块，每组质量块包括相对主梁对称布置的两个质量块，所述质量块分别通过支撑梁和主梁相连，所述上玻璃盖板、下玻璃盖板上均设有偶数组金属电极，一组金属电极和一组质量块一一对应，且每组质量块位于上玻璃盖板上对应的金属电极、下玻璃盖板上对应的金属电极之间。

优选地，每组金属电极包括检测电极和驱动电极，所述检测电极包括正检测电极和负检测电极，每组质量块中的一个质量块位于上玻璃盖板上对应的正检测电极、下玻璃盖板上对应的正检测电极之间、另一个质量块位于上玻璃盖板上对应的负检测电极、下玻璃盖板上对应的负检测电极之间；所述质量块上刻蚀有呈圆周排列的多个长孔，所述多个长孔位于上玻璃盖板上对应的驱动电极、下玻璃盖板上对应的驱动电极之间，所述驱动电极包括正驱动电极和负驱动电极，所述正驱动电极和负驱动电极均设有均匀布置的多根齿条，且所述正驱动电极的齿条、负驱动电极的齿条之间交错布置且保留有间隙。

优选地，所述长孔为扇形孔。

优选地，所述主梁上设有两组质量块。

优选地，所述应力释放框架的两侧设有锚点，所述上玻璃盖板、下玻璃盖板的两侧均设有凸台，所述锚点和凸台之间通过阳极键合相连。

优选地，所述主梁的横截面为矩形。

本发明基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺具有下述优点：

1、本发明的硅敏感结构布置于上玻璃盖板、下玻璃盖板之间形成三层结构采用切向驱动力作为结构激励，驱动模态为质量块水平振动，不会产生垂直方向的位移，这样驱动模态的振动幅值便不会受到电容间隙的限制，因此可以减小电容间隙，增大初始电容，提高机械灵敏度。

2、本发明硅敏感结构驱动模态为质量块水平振动，空气阻尼为滑膜阻尼，阻尼较小，可将硅微陀螺的Q值做到很高。

3、本发明的硅敏感结构布置于上玻璃盖板、下玻璃盖板之间形成三层结构(即“三明治”结构)，能够消除法向静电力的影响，而且硅敏感结构采用低电阻率硅制成，在相同的情况下，平行板电容的正对面积增加到原来的两倍，电容变化量出增加到原来的两倍，能够有效提高结构的灵敏度。

4、本发明的硅敏感结构包括应力释放框架，应力释放框架的中部设有主梁，主梁上设有偶数组质量块，每组质量块包括相对主梁对称布置的两个质量块，上玻璃盖板、下玻璃盖板上均设有偶数组金属电极，一组金属电极和一组质量块一一对应，且每组质量块位于上玻璃盖板上对应的金属电极、下玻璃盖板上对应的金属电极之间，通过上述结构能够实现通过切向静电力驱动微陀螺工作，为金属电极在质量块上方和下方，便于制作。

5、本发明能够实现通过切向静电力驱动微陀螺工作，且驱动方向为切向，不会产生法向位移，陀螺的驱动振幅不受金属电极的间隙的限制。

6、本发明的金属电极与质量块相对，且基于切向静电力驱动，从结构的制备到振动的控制都比较简单方便。

附图说明

图1有限大小极板正对时静电力示意图。

图2有限大小极板错开指定距离时的静电力示意图。

图3为本发明实施例的主视分解结构示意图。

图4为本发明实施例的局部剖视立体分解结构示意图。

图5为本发明实施例中硅敏感结构的结构示意图。

图6为本发明实施例中上玻璃盖板的结构示意图。

图7为本发明实施例中正(负)检测电极的结构示意图。

图8为本发明实施例中正驱动电极的结构示意图。

图9为本发明实施例中负驱动电极的结构示意图。

图10为本发明实施例的驱动模态和检测模态仿真示意图。

图例说明：1、上玻璃盖板；11、凸台；2、下玻璃盖板；3、硅敏感结构；31、应力释放框架；311、锚点；32、主梁；33、质量块；331、支撑梁；332、长孔；4、金属电极；41、检测电极；411、正检测电极；412、负检测电极；42、驱动电极；421、正驱动电极；422、负驱动电极。

具体实施方式

如图3、图4和图5所示，本实施例的基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺包括上玻璃盖板1、下玻璃盖板2及采用低电阻率硅制成的硅敏感结构3，硅敏感结构3布置于上玻璃盖板1、下玻璃盖板2之间形成三层结构，硅敏感结构3包括应力释放框架31，应力释放框架31的中部设有主梁32，主梁32上设有偶数组质量块33，每组质量块33包括相对主梁32对称布置的两个质量块33，质量块33分别通过支撑梁331和主梁32相连，上玻璃盖板1、下玻璃盖板2上均设有偶数组金属电极4，一组金属电极4和一组质量块33一一对应，且每组质量块33位于上玻璃盖板1上对应的金属电极4、下玻璃盖板2上对应的金属电极4之间。本实施例中，硅敏感结构3布置于上玻璃盖板1、下玻璃盖板2之间形成三层结构，每组质量块33位于上玻璃盖板1上对应的金属电极4、下玻璃盖板2上对应的金属电极4之间，使得硅敏感结构3与上玻璃盖板1、下玻璃盖板2上的金属电极4组成平行板电容，通过静电驱动与电容检测方式，实现微陀螺的驱动与检测。由于本实施例每组质量块33包括相对主梁32对称布置的两个质量块33、质量块33分别通过支撑梁331和主梁32相连，因此使得硅敏感结构3形成轴对称结构；此外，本实施例中上玻璃盖板1、下玻璃盖板2也均为轴对称结构，用于提高硅微陀螺信号检测的准确度；硅敏感结构3通过深反应离子刻蚀得到，金属电极4采用金属沉积工艺溅射形成。当本实施例的三层结构硅微陀螺工作时，硅敏感结构3将产生两个模态的振动，分别为驱动模态与检测模态，其中驱动模态为质量块的水平振动(与主梁32在同一平面)，检测模态为质量块的上下摆动(位于上玻璃盖板1、下玻璃盖板2之间摆动的方向)。

如图5所示，本实施例中应力释放框架31的两侧设有锚点311，上玻璃盖板1、下玻璃盖板2的两侧均设有凸台11，锚点311和凸台11之间通过阳极键合相连。

本实施例中，主梁32上设有两组质量块33。毫无疑问，本领域技术人员也可以根据需要采用更多的偶数组质量块33，例如四组、六组等。此外，在劣化程度能够接受的情况下，也可以根据需要采用奇数组质量块33，当采用奇数组质量块33时，由于硅敏感结构3会形成非对称结构，因此会导致其检测精度降低。

本实施例中，主梁32的横截面为矩形。

如图6、图7、图8和图9所示，每组金属电极4包括检测电极41和驱动电极42，检测电极41包括正检测电极411和负检测电极412，每组质量块33中的一个质量块33位于上玻璃盖板1上对应的正检测电极411、下玻璃盖板2上对应的正检测电极411之间、另一个质量块33位于上玻璃盖板1上对应的负检测电极412、下玻璃盖板2上对应的负检测电极412之间；质量块33上刻蚀有呈圆周排列的多个长孔332，多个长孔332位于上玻璃盖板1上对应的驱动电极42、下玻璃盖板2上对应的驱动电极42之间，驱动电极42包括正驱动电极421和负驱动电极422，正驱动电极421和负驱动电极422均设有均匀布置的多根齿条，且正驱动电极421的齿条、负驱动电极422的齿条之间交错布置且保留有间隙。由于硅敏感结构3布置于上玻璃盖板1、下玻璃盖板2之间形成三层结构，使得硅敏感结构3与金属电极4构成平行板电容。在此基础上，由于正驱动电极421和负驱动电极422均设有均匀布置的多根齿条，且正驱动电极421的齿条、负驱动电极422的齿条之间交错布置且保留有间隙，使得正驱动电极421和负驱动电极422与长孔332平行相对并错开一定的距离，正驱动电极421和负驱动电极422能够形成对质量块33的切向静电力，以驱动硅敏感结构3水平振动；同时，由于每组质量块33中的一个质量块33位于上玻璃盖板1上对应的正检测电极411、下玻璃盖板2上对应的正检测电极411之间、另一个质量块33位于上玻璃盖板1上对应的负检测电极412、下玻璃盖板2上对应的负检测电极412之间，使得质量块33能够检测硅敏感结构3在垂直方向的振动，通过平行板电容的电容变化来检测得到振动的角速度。

如图5所示，本实施例中长孔332为扇形孔，通过扇形孔结构的长孔332，使得呈圆周排列的多个长孔332形成的切向静电力强度更好，使得本实施例的驱动性能更好。本实施例中，长孔332的扇形孔结构具体是通过干法刻蚀得到的。

参见图10，驱动模态为质量块33的水平振动，检测模态为质量块33的上下振动。当正驱动电极421、负驱动电极422上所施加的驱动电压分别如式(3)所示；

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{d+}=V_{dc}+V_{ac}\\ V_{d-}=V_{dc}-V_{ac}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，V_d+表示正驱动电极421上施加的驱动电压，V_d-表示负驱动电极422上施加的驱动电压，V_dc表示直流分量，V_ac表示交流分量。

在这种情况下，两个电极所产生的切向静电力分别如式(4)所示；

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{d+}=\frac{{\mathrm{\ϵrV}}_{d+}^2}{2d}\\ F_{d-}=\frac{{\mathrm{\ϵrV}}_{d-}^2}{2d}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，F_d+表示正驱动电极产生静电力大小，F_d-表示负驱动电极产生静电力大小，ε表示介电常数，r表示扇形孔36的长度，d表示电容间隙，V_d+表示正驱动电极421上施加的驱动电压，V_d-表示负驱动电极422上施加的驱动电压。

因此，单个质量块33所受到的切向静电力的合力如式(5)所示；

$F_d=F_{d+}-F_{d-}=N\frac{2{\mathrm{\ϵrV}}_{dc}{V}_{ac}}{d}---\left(5\right)$

式(5)中，F_d表示单个质量块33所受到的切向静电力的合力，F_d+表示正驱动电极产生静电力大小，F_d-表示负驱动电极产生静电力大小，N表示电极对数，ε表示介电常数，V_dc表示直流分量，V_ac表示交流分量，d表示电容间隙。结合式(5)可知，本实施例利用静电力的切向效应来激励出陀螺的驱动模态，驱动模态为质量块33的水平振动，不会产生法向位移，这样电容极板间的间隙便不受驱动模态振动的影响，同时将结构做成“三明治”的三层结构，增强了结构对称性，能有效降低法向静电力对陀螺的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，其特征在于：包括上玻璃盖板（1）、下玻璃盖板（2）及采用低电阻率硅制成的硅敏感结构（3），所述硅敏感结构（3）布置于上玻璃盖板（1）、下玻璃盖板（2）之间形成三层结构，所述硅敏感结构（3）包括应力释放框架（31），所述应力释放框架（31）的中部设有主梁（32），所述主梁（32）上设有偶数组质量块（33），每组质量块（33）包括相对主梁（32）对称布置的两个质量块（33），所述质量块（33）分别通过支撑梁（331）和主梁（32）相连，所述上玻璃盖板（1）、下玻璃盖板（2）上均设有偶数组金属电极（4），一组金属电极（4）和一组质量块（33）一一对应，且每组质量块（33）位于上玻璃盖板（1）上对应的金属电极（4）、下玻璃盖板（2）上对应的金属电极（4）之间；每组金属电极（4）包括检测电极（41）和驱动电极（42），所述检测电极（41）包括正检测电极（411）和负检测电极（412），每组质量块（33）中的一个质量块（33）位于上玻璃盖板（1）上对应的正检测电极（411）、下玻璃盖板（2）上对应的正检测电极（411）之间、另一个质量块（33）位于上玻璃盖板（1）上对应的负检测电极（412）、下玻璃盖板（2）上对应的负检测电极（412）之间；所述质量块（33）上刻蚀有呈圆周排列的多个长孔（332），所述多个长孔（332）位于上玻璃盖板（1）上对应的驱动电极（42）、下玻璃盖板（2）上对应的驱动电极（42）之间，所述驱动电极（42）包括正驱动电极（421）和负驱动电极（422），所述正驱动电极（421）和负驱动电极（422）均设有均匀布置的多根齿条，且所述正驱动电极（421）的齿条、负驱动电极（422）的齿条之间交错布置且保留有间隙。

2.根据权利要求1所述的基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，其特征在于：所述长孔（332）为扇形孔。

3.根据权利要求2所述的基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，其特征在于：所述主梁（32）上设有两组质量块（33）。

4.根据权利要求3所述的基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，其特征在于：所述应力释放框架（31）的两侧设有锚点（311），所述上玻璃盖板（1）、下玻璃盖板（2）的两侧均设有凸台（11），所述锚点（311）和凸台（11）之间通过阳极键合相连。

5.根据权利要求4所述的基于切向静电力驱动的三层结构硅微陀螺，其特征在于：所述主梁（32）的横截面为矩形。