专利名称：基于声悬浮的圆盘微机械陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电技术领域的器件，具体地说，是一种基于声悬浮的圆盘微机械陀螺。
背景技术：
微机械陀螺是一种重要的惯性传感器，它在国防军事和民用两大领域都有着极为广泛的应用。近年来，随着微机械电子系统(MEMS)加工技术的发展，微机械陀螺仪的研制开发倍受人们的关注。然而，目前的研究主要是微机械振动陀螺，大多数微机械振动陀螺均采用静电力激发和电容感应的方法来测量角速度，由于电极间隙不能做得很小，一般在1-2μm左右，而且静电激发要求较大的激励电压，这与IC电路不兼容，而且由于静电场的干扰，精度会明显降低。电磁驱动陀螺是由于磁隙及线圈体积的要求，微型化受到一定的限制，而且在有磁场的环境中不能正常工作。
经对现有技术文献的检索发现，K.Maenaka等人在《Sensors and ActuatorsA》，(2005)pp6-15页撰文“Design，fabrication and operation of MEMS gimbalgyroscope”(“基于MEMS的万向节陀螺的设计，制作和驱动”，《传感器与执行器A》)，该文介绍了具有内部和外部两个万向节结构的陀螺，内部线圈的电磁力使内部的万向节产生基准振动，哥式力使外部万向节产生的位移通过外部线圈的电动势来检测，从而形成一个微型陀螺。这种驱动机理的陀螺的缺点是由于采用了电磁力驱动，因此不能在有磁场的环境下工作；而且使用了平面线圈，结构较为复杂，精度和效率不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提出一种基于声悬浮的圆盘微机械陀螺，使其激励的声波能达到纳米数量级，明显提高精度，寿命长，可靠性高，反应速度快，控制特性好，而且解决了电磁场环境下的工作问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括八个电容极板、分区电极、压电板、基极、绝缘层、四个支撑柱和微转子，基极和分区电极设在压电板沿厚度方向的两面，绝缘层设在基极上，八个电容极板均匀设在绝缘层上，并在绝缘层上形成四个支撑柱，微转子设在四个支撑柱上。
所述的四个支撑柱均为柱状。支撑柱是为防止微转子和电容极板接触和碰撞。
所述的压电板，沿厚度方向极化。
所述的微转子为圆形的金属盘。
在分区电极上依次施加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt的等幅值的交变电压，基极上施加零电位时，压电板受电场作用产生弯曲变形，从而在压电板和微转子之间形成行波，行波声场产生轴向、径向和周向三个方向的力，轴向的力使支撑柱上的微转子悬浮，径向力使微转子保持平衡，不偏心，切向力使微转子产生旋转，微转子的转动方向和行波一致。微转子只有高速旋转后才能在产生陀螺效应的同时具有高抗干扰性，通过增加驱动电压能够提高微转子的转速和微转子的悬浮高度。绝缘层上均匀分布了八块电容极板，通过这些电容极板和微转子的组合来检测微转子在空间所处的位置。另外通过八块电容极板中的任意一块和微转子之间形成的电容可以检测微转子上下移动的位移，任意相对的两块电容极板和微转子之间的电容可以检测微转子的侧向位移。
本发明采用新的悬浮驱动机制，所激励的声波能达到纳米数量级，明显提高精度，寿命长，可靠性高，反应速度快，控制特性好，而且解决了电磁场环境下的工作问题；本发明采用了新的简单的陀螺结构，从而减小体积、降低重量，实现微型化；本发明采用微细加工的方法制造与实现，宜于大批量生产，具有极好的性价比等特点。
图1本发明的结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明包括八个电容极板1、2、3、4、5、6、7、8、分区电极9、压电板10、基极11、绝缘层12、四个支撑柱13、14、15、16和微转子17，基极11和分区电极9设在压电板10沿厚度方向的两面，绝缘层12设在基极11上，八个电容极板1、2、3、4、5、6、7、8均匀设在绝缘层12上，并在绝缘层12上形成四个支撑柱13、14、15、16，微转子17设在四个支撑柱13、14、15、16上。
电容极板3、8、7、4和微转子17组合来检测出微转子左右偏转角度；电容极板2、1、6、5和微转子17组合来检测出微转子前后偏转角度。
所述的四个支撑柱13、14、15、16均为柱状。支撑柱是为防止微转子和电容极板接触和碰撞。
所述的压电板10，沿厚度方向极化。
所述的微转子17为圆形的金属盘。
权利要求
1.一种基于声悬浮的圆盘微机械陀螺，包括八个电容极板(1、2、3、4、5、6、7、8)、分区电极(9)、压电板(10)、基极(11)、绝缘层(12)、四个支撑柱(13、14、15、16)和微转子(17)，其特征在于，基极(11)和分区电极(9)设在压电板(10)沿厚度方向的两面，绝缘层(12)设在基极(11)上，八个电容极板(1、2、3、4、5、6、7、8)均匀设在绝缘层(12)上，并在绝缘层(12)上形成四个支撑柱(13、14、15、16)，微转子(17)设在四个支撑柱(13、14、15、16)上。
2.根据权利要求1所述的基于声悬浮的圆盘微机械陀螺，其特征是，所述的四个支撑柱(13、14、15、16)均为柱状。
3.根据权利要求1所述的基于声悬浮的圆盘微机械陀螺，其特征是，所述的压电板(10)沿厚度方向进行极化。
4.根据权利要求1所述的基于声悬浮的圆盘微机械陀螺，其特征是，所述的微转子(17)是圆形的金属盘。
全文摘要
一种基于声悬浮的圆盘微机械陀螺，属于微机电技术领域。本发明包括八个电容极板、分区电极、压电板、基极、绝缘层、四个支撑柱和微转子，基极和分区电极设在压电板沿厚度方向的两面，绝缘层设在基极上，八个电容极板均匀设在绝缘层上，并在绝缘层上形成四个支撑柱，微转子设在四个支撑柱上。本发明采用一种声悬浮驱动机制，解决了磁场环境下的工作问题，而且简化了陀螺的结构，由于该种陀螺适宜于微细加工的方法来制造于实现，因而易于批量化和微型化。
文档编号G01C19/02GK1731089SQ20051002868
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月11日 优先权日2005年8月11日
发明者刘景全, 杨斌, 陈迪 申请人:上海交通大学