[发明专利]基于SOI工艺的微型静电悬浮陀螺

说明书

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。