一種基于切向靜電力驅(qū)動(dòng)的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅微機(jī)械陀螺，具體涉及一種基于切向靜電力驅(qū)動(dòng)的三層結(jié)構(gòu)硅微陀 螺。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微機(jī)械陀螺一般由支撐梁和質(zhì)量塊組成，多采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的形式。硅 微機(jī)械陀螺包括兩個(gè)模態(tài):驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)。質(zhì)量塊在靜電力的作用下沿驅(qū)動(dòng)軸方向 做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，稱為驅(qū)動(dòng)模態(tài)；當(dāng)在角速度輸入方向存在角速度信號(hào)時(shí)，由哥氏力效應(yīng)產(chǎn)生的 哥氏力使得質(zhì)量塊在檢測(cè)軸方向產(chǎn)生振動(dòng)，稱為檢測(cè)模態(tài)。檢測(cè)模態(tài)檢測(cè)電容變化，電容變 化量與輸入角速度和驅(qū)動(dòng)模態(tài)振幅成正比，通過(guò)自動(dòng)增益控制實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的恒幅振動(dòng)， 這樣便可以通過(guò)測(cè)量檢測(cè)模態(tài)電容變化量來(lái)反應(yīng)出輸入角速度大小。
[0003] 對(duì)于無(wú)限大平行板電極，利用虛位移原理，可得平行板間的靜電力大小如式（1)所 示；
[0004] ⑴
[0005] 式（1)中，ε為介電常數(shù)，A為電極面積，V為極板間的電壓差，do為電極間距離，力的 方向?yàn)榇怪庇跇O板方向，可將此方向稱為法向。
[0006] 若忽略邊緣效應(yīng)，式（1)也可應(yīng)用于有限大小的平行板，此時(shí)A為兩極板間的正對(duì) 面積，如圖1所示。當(dāng)兩極板非正對(duì)但仍有正對(duì)面積時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的靜電力，如圖2所 示，靜電力的大小分別如式(2)所示；
[0007]
(2)
[0008]式（2)中，F(xiàn)n*法向靜電力，F(xiàn)r為切向靜電力，其余各參數(shù)與式（1)中相同。根據(jù)式 (2)可以看出，法向靜電力仍然與極板的正對(duì)面積成正比，而切向靜電力只與極板的寬度b 有關(guān)，而與極板間的重疊寬度a沒有關(guān)系。基于上述發(fā)現(xiàn)，如何利用靜電力的這種切向效應(yīng) 來(lái)驅(qū)動(dòng)陀螺工作，已成為一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提供一種驅(qū)動(dòng)振幅不受電 容間隙限制、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好、受空氣阻尼影響小、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基于切向靜電力驅(qū) 動(dòng)的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0011 ] -種基于切向靜電力驅(qū)動(dòng)的三層結(jié)構(gòu)娃微陀螺，包括上玻璃蓋板、下玻璃蓋板及 采用低電阻率硅制成的硅敏感結(jié)構(gòu)，所述硅敏感結(jié)構(gòu)布置于上玻璃蓋板、下玻璃蓋板之間 形成三層結(jié)構(gòu)，所述硅敏感結(jié)構(gòu)包括應(yīng)力釋放框架，所述應(yīng)力釋放框架的中部設(shè)有主梁，所 述主梁上設(shè)有偶數(shù)組質(zhì)量塊，每組質(zhì)量塊包括相對(duì)主梁對(duì)稱布置的兩個(gè)質(zhì)量塊，所述質(zhì)量 塊分別通過(guò)支撐梁和主梁相連，所述上玻璃蓋板、下玻璃蓋板上均設(shè)有偶數(shù)組金屬電極，一 組金屬電極和一組質(zhì)量塊-對(duì)應(yīng)，且每組質(zhì)量塊位于上玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的金屬電極、下 玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的金屬電極之間。
[0012] 優(yōu)選地，每組金屬電極包括檢測(cè)電極和驅(qū)動(dòng)電極，所述檢測(cè)電極包括正檢測(cè)電極 和負(fù)檢測(cè)電極，每組質(zhì)量塊中的一個(gè)質(zhì)量塊位于上玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的正檢測(cè)電極、下玻璃 蓋板上對(duì)應(yīng)的正檢測(cè)電極之間、另一個(gè)質(zhì)量塊位于上玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的負(fù)檢測(cè)電極、下玻 璃蓋板上對(duì)應(yīng)的負(fù)檢測(cè)電極之間；所述質(zhì)量塊上刻蝕有呈圓周排列的多個(gè)長(zhǎng)孔，所述多個(gè) 長(zhǎng)孔位于上玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電極、下玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電極之間，所述驅(qū)動(dòng)電 極包括正驅(qū)動(dòng)電極和負(fù)驅(qū)動(dòng)電極，所述正驅(qū)動(dòng)電極和負(fù)驅(qū)動(dòng)電極均設(shè)有均勻布置的多根齒 條，且所述正驅(qū)動(dòng)電極的齒條、負(fù)驅(qū)動(dòng)電極的齒條之間交錯(cuò)布置且保留有間隙。
[0013] 優(yōu)選地，所述長(zhǎng)孔為扇形孔。
[0014] 優(yōu)選地，所述主梁上設(shè)有兩組質(zhì)量塊。
[0015] 優(yōu)選地，所述應(yīng)力釋放框架的兩側(cè)設(shè)有錨點(diǎn)，所述上玻璃蓋板、下玻璃蓋板的兩側(cè) 均設(shè)有凸臺(tái)，所述錨點(diǎn)和凸臺(tái)之間通過(guò)陽(yáng)極鍵合相連。
[0016] 優(yōu)選地，所述主梁的橫截面為矩形。
[0017] 本發(fā)明基于切向靜電力驅(qū)動(dòng)的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺具有下述優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 1、本發(fā)明的硅敏感結(jié)構(gòu)布置于上玻璃蓋板、下玻璃蓋板之間形成三層結(jié)構(gòu)采用切 向驅(qū)動(dòng)力作為結(jié)構(gòu)激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊水平振動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生垂直方向的位移，這樣驅(qū)動(dòng) 模態(tài)的振動(dòng)幅值便不會(huì)受到電容間隙的限制，因此可以減小電容間隙，增大初始電容，提高 機(jī)械靈敏度。
[0019] 2、本發(fā)明硅敏感結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊水平振動(dòng)，空氣阻尼為滑膜阻尼，阻尼較 小，可將硅微陀螺的Q值做到很高。
[0020] 3、本發(fā)明的硅敏感結(jié)構(gòu)布置于上玻璃蓋板、下玻璃蓋板之間形成三層結(jié)構(gòu)（sr三 明治"結(jié)構(gòu)），能夠消除法向靜電力的影響，而且硅敏感結(jié)構(gòu)采用低電阻率硅制成，在相同的 情況下，平行板電容的正對(duì)面積增加到原來(lái)的兩倍，電容變化量出增加到原來(lái)的兩倍，能夠 有效提尚結(jié)構(gòu)的靈敏度。
[0021] 4、本發(fā)明的硅敏感結(jié)構(gòu)包括應(yīng)力釋放框架，應(yīng)力釋放框架的中部設(shè)有主梁，主梁 上設(shè)有偶數(shù)組質(zhì)量塊，每組質(zhì)量塊包括相對(duì)主梁對(duì)稱布置的兩個(gè)質(zhì)量塊，上玻璃蓋板、下玻 璃蓋板上均設(shè)有偶數(shù)組金屬電極，一組金屬電極和一組質(zhì)量塊一一對(duì)應(yīng)，且每組質(zhì)量塊位 于上玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的金屬電極、下玻璃蓋板上對(duì)應(yīng)的金屬電極之間，通過(guò)上述結(jié)構(gòu)能夠 實(shí)現(xiàn)通過(guò)切向靜電力驅(qū)動(dòng)微陀螺工作，為金屬電極在質(zhì)量塊上方和下方，便于制作。
[0022] 5、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)切向靜電力驅(qū)動(dòng)微陀螺工作，且驅(qū)動(dòng)方向?yàn)榍邢?，不?huì)產(chǎn) 生法向位移，陀螺的驅(qū)動(dòng)振幅不受金屬電極的間隙的限制。
[0023] 6、本發(fā)明的金屬電極與質(zhì)量塊相對(duì)，且基于切向靜電力驅(qū)動(dòng)，從結(jié)構(gòu)的制備到振 動(dòng)的控制都比較簡(jiǎn)單方便。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1有限大小極板正對(duì)時(shí)靜電力示意圖。
[0025]圖2有限大小極板錯(cuò)開指定距離時(shí)的靜電力示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的主視分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的局部剖視立體分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中硅敏感結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中上玻璃蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中正(負(fù))檢測(cè)電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中正驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中負(fù)驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖10為本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)仿真示意圖。
[0034]圖例說(shuō)明：1、上玻璃蓋板;11、凸臺(tái)；2、下玻璃蓋板;3、硅敏感結(jié)構(gòu);31、應(yīng)力釋放框 架;311、錨點(diǎn)；32、主梁;33、質(zhì)量塊;331、支撐梁;332、長(zhǎng)孔;4、金屬電極;41、檢測(cè)電極;411、 正檢測(cè)電極;412、負(fù)檢測(cè)電極;42、驅(qū)動(dòng)電極;421、正驅(qū)動(dòng)電極;422、負(fù)驅(qū)動(dòng)電極。
【具體實(shí)施方式】
[0035]如圖3、圖4和圖5所示，本實(shí)施例的基于切向靜電力驅(qū)動(dòng)的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺包括 上玻璃蓋板1、下玻璃蓋板2及采用低電阻率硅制成的硅敏感結(jié)構(gòu)3,硅敏感結(jié)構(gòu)3布置于上 玻璃蓋板1、下玻璃蓋板2之間形成三層結(jié)構(gòu)，硅敏感結(jié)構(gòu)3包括應(yīng)力釋放框架31，應(yīng)力釋放 框架31的中部設(shè)有主梁32,主梁32上設(shè)有偶數(shù)組質(zhì)量塊33,每組質(zhì)量塊33包括相對(duì)主梁32 對(duì)稱布置的兩個(gè)質(zhì)量塊33，質(zhì)量塊33分別通過(guò)支撐梁331和主梁32相連，上玻璃蓋板1、下玻 璃蓋板2上均設(shè)有偶數(shù)組金屬電極4,一組金屬電極4和一組質(zhì)量塊33-一對(duì)應(yīng)，且每組質(zhì)量 塊33位于上玻璃蓋板1上對(duì)應(yīng)的金屬電極4、下玻璃蓋板2上對(duì)應(yīng)的金屬電極4之間。本實(shí)施 例中，硅敏感結(jié)構(gòu)3布置于上玻璃蓋板1、下玻璃蓋板2之間形成三層結(jié)構(gòu)，每組質(zhì)量塊33位 于上玻璃蓋板1上對(duì)應(yīng)的金屬電極4、下玻璃蓋板2上對(duì)應(yīng)的金屬電極4之間，使得硅敏感結(jié) 構(gòu)3與上玻璃蓋板1、下玻璃蓋板2上的金屬電極4組成平行板電容，通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)與電容檢 測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)微陀螺的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)。由于本實(shí)施例每組質(zhì)量塊33包括相對(duì)主梁32對(duì)稱布置 的兩個(gè)質(zhì)量塊33、質(zhì)量塊33分別通過(guò)支撐梁331和主梁32相連，因此使得硅敏感結(jié)構(gòu)3形成 軸對(duì)稱結(jié)構(gòu);此外，本實(shí)施例中上玻璃蓋板1、下玻璃蓋板2也均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，用于提高硅 微陀螺信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度;硅敏感結(jié)構(gòu)3通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕得到，金屬電極4采用金屬沉 積工藝濺射形成。當(dāng)本實(shí)施例的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺工作時(shí)，硅敏感結(jié)構(gòu)3將產(chǎn)生兩個(gè)模態(tài)的 振動(dòng)，分別為驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)，其中驅(qū)動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊的水平振動(dòng)(與主梁32在同一平 面），檢測(cè)模態(tài)為質(zhì)量塊的