一種基于切向靜電力驅(qū)動的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及硅微機械陀螺，具體涉及一種基于切向靜電力驅(qū)動的三層結(jié)構(gòu)硅微陀 螺。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微機械陀螺一般由支撐梁和質(zhì)量塊組成，多采用靜電驅(qū)動、電容檢測的形式。硅 微機械陀螺包括兩個模態(tài):驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)。質(zhì)量塊在靜電力的作用下沿驅(qū)動軸方向 做簡諧振動，稱為驅(qū)動模態(tài)；當在角速度輸入方向存在角速度信號時，由哥氏力效應產(chǎn)生的 哥氏力使得質(zhì)量塊在檢測軸方向產(chǎn)生振動，稱為檢測模態(tài)。檢測模態(tài)檢測電容變化，電容變 化量與輸入角速度和驅(qū)動模態(tài)振幅成正比，通過自動增益控制實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)的恒幅振動， 這樣便可以通過測量檢測模態(tài)電容變化量來反應出輸入角速度大小。
[0003] 對于無限大平行板電極，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 方向為垂直于極板方向，可將此方向稱為法向。
[0006] 若忽略邊緣效應，式（1)也可應用于有限大小的平行板，此時A為兩極板間的正對 面積，如圖1所示。當兩極板非正對但仍有正對面積時，會產(chǎn)生兩個方向的靜電力，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 來驅(qū)動陀螺工作，已成為一項亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種驅(qū)動振幅不受電 容間隙限制、結(jié)構(gòu)對稱性好、受空氣阻尼影響小、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單的基于切向靜電力驅(qū) 動的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，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)包括應力釋放框架，所述應力釋放框架的中部設有主梁，所 述主梁上設有偶數(shù)組質(zhì)量塊，每組質(zhì)量塊包括相對主梁對稱布置的兩個質(zhì)量塊，所述質(zhì)量 塊分別通過支撐梁和主梁相連，所述上玻璃蓋板、下玻璃蓋板上均設有偶數(shù)組金屬電極，一 組金屬電極和一組質(zhì)量塊-對應，且每組質(zhì)量塊位于上玻璃蓋板上對應的金屬電極、下 玻璃蓋板上對應的金屬電極之間。
[0012] 優(yōu)選地，每組金屬電極包括檢測電極和驅(qū)動電極，所述檢測電極包括正檢測電極 和負檢測電極，每組質(zhì)量塊中的一個質(zhì)量塊位于上玻璃蓋板上對應的正檢測電極、下玻璃 蓋板上對應的正檢測電極之間、另一個質(zhì)量塊位于上玻璃蓋板上對應的負檢測電極、下玻 璃蓋板上對應的負檢測電極之間；所述質(zhì)量塊上刻蝕有呈圓周排列的多個長孔，所述多個 長孔位于上玻璃蓋板上對應的驅(qū)動電極、下玻璃蓋板上對應的驅(qū)動電極之間，所述驅(qū)動電 極包括正驅(qū)動電極和負驅(qū)動電極，所述正驅(qū)動電極和負驅(qū)動電極均設有均勻布置的多根齒 條，且所述正驅(qū)動電極的齒條、負驅(qū)動電極的齒條之間交錯布置且保留有間隙。
[0013] 優(yōu)選地，所述長孔為扇形孔。
[0014] 優(yōu)選地，所述主梁上設有兩組質(zhì)量塊。
[0015] 優(yōu)選地，所述應力釋放框架的兩側(cè)設有錨點，所述上玻璃蓋板、下玻璃蓋板的兩側(cè) 均設有凸臺，所述錨點和凸臺之間通過陽極鍵合相連。
[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)動的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺具有下述優(yōu)點：
[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)動力作為結(jié)構(gòu)激勵，驅(qū)動模態(tài)為質(zhì)量塊水平振動，不會產(chǎn)生垂直方向的位移，這樣驅(qū)動 模態(tài)的振動幅值便不會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 機械靈敏度。
[0019] 2、本發(fā)明硅敏感結(jié)構(gòu)驅(qū)動模態(tài)為質(zhì)量塊水平振動，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，平行板電容的正對面積增加到原來的兩倍，電容變化量出增加到原來的兩倍，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)包括應力釋放框架，應力釋放框架的中部設有主梁，主梁 上設有偶數(shù)組質(zhì)量塊，每組質(zhì)量塊包括相對主梁對稱布置的兩個質(zhì)量塊，上玻璃蓋板、下玻 璃蓋板上均設有偶數(shù)組金屬電極，一組金屬電極和一組質(zhì)量塊一一對應，且每組質(zhì)量塊位 于上玻璃蓋板上對應的金屬電極、下玻璃蓋板上對應的金屬電極之間，通過上述結(jié)構(gòu)能夠 實現(xiàn)通過切向靜電力驅(qū)動微陀螺工作，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)通過切向靜電力驅(qū)動微陀螺工作，且驅(qū)動方向為切向，不會產(chǎn) 生法向位移，陀螺的驅(qū)動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，且基于切向靜電力驅(qū)動，從結(jié)構(gòu)的制備到振 動的控制都比較簡單方便。
【附圖說明】
[0024]圖1有限大小極板正對時靜電力示意圖。
[0025]圖2有限大小極板錯開指定距離時的靜電力示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明實施例的主視分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4為本發(fā)明實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)明實施例中正(負)檢測電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖8為本發(fā)明實施例中正驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖9為本發(fā)明實施例中負驅(qū)動電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖10為本發(fā)明實施例的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)仿真示意圖。
[0034]圖例說明：1、上玻璃蓋板;11、凸臺；2、下玻璃蓋板;3、硅敏感結(jié)構(gòu);31、應力釋放框 架;311、錨點；32、主梁;33、質(zhì)量塊;331、支撐梁;332、長孔;4、金屬電極;41、檢測電極;411、 正檢測電極;412、負檢測電極;42、驅(qū)動電極;421、正驅(qū)動電極;422、負驅(qū)動電極。
【具體實施方式】
[0035]如圖3、圖4和圖5所示，本實施例的基于切向靜電力驅(qū)動的三層結(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包括應力釋放框架31，應力釋放 框架31的中部設有主梁32,主梁32上設有偶數(shù)組質(zhì)量塊33,每組質(zhì)量塊33包括相對主梁32 對稱布置的兩個質(zhì)量塊33，質(zhì)量塊33分別通過支撐梁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33-一對應，且每組質(zhì)量 塊33位于上玻璃蓋板1上對應的金屬電極4、下玻璃蓋板2上對應的金屬電極4之間。本實施 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上對應的金屬電極4、下玻璃蓋板2上對應的金屬電極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，通過靜電驅(qū)動與電容檢 測方式，實現(xiàn)微陀螺的驅(qū)動與檢測。由于本實施例每組質(zhì)量塊33包括相對主梁32對稱布置 的兩個質(zhì)量塊33、質(zhì)量塊33分別通過支撐梁331和主梁32相連，因此使得硅敏感結(jié)構(gòu)3形成 軸對稱結(jié)構(gòu);此外，本實施例中上玻璃蓋板1、下玻璃蓋板2也均為軸對稱結(jié)構(gòu)，用于提高硅 微陀螺信號檢測的準確度;硅敏感結(jié)構(gòu)3通過深反應離子刻蝕得到，金屬電極4采用金屬沉 積工藝濺射形成。當本實施例的三層結(jié)構(gòu)硅微陀螺工作時，硅敏感結(jié)構(gòu)3將產(chǎn)生兩個模態(tài)的 振動，分別為驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)，其中驅(qū)動模態(tài)為質(zhì)量塊的水平振動(與主梁32在同一平 面），檢測模態(tài)為質(zhì)量塊的