一种微马达的角度测量装置的制作方法

本实用新型涉及角度测量装置领域，特别是涉及一种微马达的角度测量装置。

背景技术：

微马达也叫微型马达或微型电机，是体积、容量较小，输出功率一般在数百瓦以下的电机和用途、性能及环境条件要求特殊的电机。常用于控制系统中，实现机电信号或能量的检测、解算、放大、执行或转换等功能，或用于传动机械负载，也可作为设备的交、直流电源。

目前，微型马达主要有一下几方面的应用：微型机器人，微型低功耗驱动器和微型医学检测器件。其中微型机器人是利用微马达尺寸小、工作电压低、控制精度高的特点，可用于移动式平台、微机械装配、维修，纳米定位等。在机器人平台中可用作方向控制部件，集成于摄像头或方向传感器中。对于微型低功耗驱动器，该方向主要是用于驱动可旋转平台，并进行多功能应用，如光学信息传感等。同时，微马达的高精度控制和连续性转动能力可以为陀螺仪提供驱动。不仅可应用于定位、导航和计数计数中，还可以实现陀螺仪的自标定。利用MEMS技术进行微型化马达的研究和制作，以达到以上应用目的，是目前国外在该领域研究的重点。此外，低功耗驱动也是该器件的一大特点，能实现微系统控制与集成电路集成。另外一方面应用是微型医学检测器件，该应用主要也是利用了可旋转平台，实现微型工具操作、静脉超声成像等。尤其在静脉超声成像发展中，可旋转平台取代了传统的相控阵列。因为微型超声马达的引入，解决了可旋转平台存在的扭杆较粗、较长带来的晃动厉害，不易控制的问题。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)压电执行器(压电执行器利用压电材料的压电效应实现换能作用，将输入电信号转化为机械能输出，是MEMS领域常用的执行器之一)具有体积小、质量轻、易于与基体结构集成、价格低廉，而且由材料的固态结晶效应产生位移，位移分辨率高，输出力大，承受载荷大，响应速度快，瞬时加速度大等优势，受到了广泛关注，是一种适用于微马达提供高分辨率定位、高动态运动特征等需求的MEMS执行器技术。

但是基于压电执行器的微马达受压电材料蠕变、非线性的影响其运动轨迹以及位移精度都相对较低，因此，需要对基于压电执行器的微马达实施反馈控制，从而使增加被执行结构获得与预期相符的运动。而实施反馈控制或者闭环控制最重要的一环就是对被执行结构的运动状态进行精确监测。

对于传统的或者尺寸较大的压电马达或者超声电机，具有很多进行状态监测的方式，包括机械式、光学式以及磁电式等。其中机械式传感器精度有限，且无电信号输出；光学传感器结构复杂，对环境要求高，成本昂贵，测量角度小；磁电式传感器结构紧凑，精度较高，测量输出一般为电信号，易被后级电路调制处理。磁电式传感器主要包括电位器式、电感式、霍尔式、磁敏电阻式、磁阻式、磁致伸缩式、磁栅式以及电容式等。目前行业中现有的传感器各有优势也有各自的缺点，如电位器式角度传感器结构简单、输出信号强，能适应振动等环境，但它是接触式测量，产品寿命和可靠性不佳，且精度一般也不高；又如光电编码器具有精度高、响应快的优点，但其结构相对复杂，很难集成到 MEMS系统中。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种微马达的角度测量装置，采用电容方式来对微马达的状态进行检测，用来提高装置的抗干扰能力和检测精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种微马达的角度测量装置，所述角度测量装置包括：若干个上电极和若干个下电极；多个所述上电极设置在微马达的上底座，多个所述上电极处于一个以定子为中心的圆环上，所述定子设置在所述上底座上；所述下电极设置在微马达的转子底板上，多个所述下电极处于一个以转子为中心的圆环上，所述上电极与所述下电极形成多个电容结构。

可选的，多个所述上电极分为第一组电极、第二组电极和第三组电极，所述第一组电极与所述第二组电极的相位差为180°，所述第一组电极与所述第三组电极的相位差为90°。

可选的，所述第一组电极包括一个或多个第一上电极，多个所述第一上电极并联连接；所述第二组电极包括一个或多个第二上电极，多个所述第二上电极并联连接；所述第三组电极包括一个或多个第三上电极，多个所述第三上电极并联连接。

可选的，在所述上电极与所述上底座之间设置有屏蔽层。

可选的，在所述上电极与所述屏蔽层之间设置有第一绝缘层。

可选的，在所述上电极的上表面设置有第二绝缘层。

可选的，所述上电极的形状为圆形或扇形，所述下电极的形状为圆形或扇形。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

(1)采用电容式检测对微马达进行状态监测，抗干扰能力强，由于电容是机械结构且与微马达一起加工，对机械振动或者热应力等不敏感，且不存在电子元器件，对环境适应力强。

(2)电容检测可以存在绝对的零点，也就是机械的零点，并且每转动一定角度就可以进行零点校准。

(3)电容检测结构简单，因此很容易集成在MEMS微马达之中，加工难度和加工成本方面具有很大的优势，并且由于是平台一体化加工，不会占用额外的空间。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型微马达的角度测量装置实施例的结构示意图；

图2为下电极及转子结构平面俯视图；

图3为下电极的两种形状示意图；

图4为上电极及定子结构平面俯视图；

图5为上下电极相对位置示意图；

图6-a为上下电极沿角度转动方向的投影一；

图6-b为上下电极沿角度转动方向的投影二；

图7为电极电容值随角度的变化关系。

附图标号如下：

1-上底座，2-定子，3-屏蔽层，4-第一绝缘层，5-上电极，6-第二绝缘层， 7-摩擦层，8-下电极，9-转子，10-转子底板，11-下底座，12-键合结构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种微马达的角度测量装置，其工作原理是在角度转动时，利用两个平行板电极之间相对面积的变化从而造成电容值的变化，设计合理的电容结构，通过测量电容值的变化从而获得角度值得精确信息。

其中下电极为含有电容阵列的转子，上电极为含有电容检测传感器的定子。当角度转动的时候，上下电极之前的电容值会随之改变，通过计算与算法，可以建立起电容值与转动角度的对于关系。在实际的操作过程中，调节电容阵列结构与电路结构，使得输出电压与转动角度呈正弦分布，对检测到的电压信号进行处理就可以获得每个时刻的角度位置，为整个微马达提供反馈控制信号。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型微马达的角度测量装置实施例的结构示意图。如图1 所述，所述角度测量装置包括：若干个上电极5和若干个下电极8；多个所述上电极5设置在微马达的上底座1，多个所述上电极5处于一个以定子2为中心的圆环上，所述定子2设置在所述上底座1上；所述下电极8设置在微马达的转子底板10上，多个所述下电极8处于一个以转子9为中心的圆环上，所述上电极5与所述下电极8形成多个电容结构。

上底座1，用于支撑上电极5以及定子2。

定子2，用于带动转子8转动。

在上电极5与上底座1之间设置有屏蔽层3。屏蔽层3，用于屏蔽定子2 及周围的噪声，提高检测精度。

在上电极5与屏蔽层3之间设置有第一绝缘层4，用于绝缘屏蔽层3与上电极5。

在上电极5的上表面设置有第二绝缘层6，防止上电极5和下电极8电接触以及防止上电极5与地电接触。

定子2与转子9之间还设置有摩擦层7。

键合结构12可以是用整体一个框架键合在一起，也可以是分别两个框架与上下底座相连，再键合在一起。

本实用新型的整体结构主要包括含有上电极5及定子2的顶部结构以及含有下电极8和转子9的底部结构。在实际工作的过程中，定子2与上电极5 检测结构静止不动，转子9与下电极8结构一起转动从而周期性的改变上电极 5和下电极8之间的面积，从而改变上下电极之间的电容，通过检测电容值的变化就能获得角度的变化。转子底板10是用于支撑及连接转子9以及下电极 8，整体结构则是通过12的键合结构封装在一起(键合：键合将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料或金属材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合或通过键合剂结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术)。在工艺设计中，两部分结构分别独立设计及加工，最后再封装在一起，因此制备难度也相对有所降低。

1、底部结构(包括下电极、转子及底座)

电容检测的核心是电容电极的形状和分布，其典型的布局如图2所示。如图2所示，下电极阵列包括一定数量N的电极呈环状分布，环状分布的半径为R。其中，最中间的圆环代表的就是图1中的转子9，最外面的圆环代表的就是图1中的转子底板10。下电极8与转子9是一起加工的，其中下电极8 的数量可以根据实际应用的需求以及实际的加工方式调整。当转子9以及下电极8加工完成后，将与图1中转子底板10的底座装配在一起，形成一个完整的底部结构。

其中，电极的形状可以是圆形也可以是扇形，如图3所示。

2、顶部结构(包括上电极与定子)

图4为上电极及定子结构平面俯视图，如图4所示，其中上电极结构包括 9个电极(也可以是6个电极或者3个电极)，其中51、54、57号电极并联连接在一起形成第一组电极，52、55、58号电极并联连接在一起形成第二组电极， 53、56、59号电极并联连接在一起形成第三组电极。第一组电极与第二组电极相位差为180°，第一组电极与第三组电极相位差为90°，即当第一组电极与下电极完全重合的时候，第二组电极刚好处于两个电极1/2处，第三组电极刚好处于两个电极的1/4处。对于上电极结构，电极的形状既可以是圆形，也可以是扇形。整个顶部结构加工是通过MEMS流片的工艺实现的，电极的引出可以通过TSV也可以通过飞线的方式实现。(TSV，全名是Through Silicon Vias，即硅通孔互连，是电信号的传输通道。)

3、用于MEMS微马达的电容检测设计原理(MEMS：全名为微机电系统 (MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件)

对于平行极板电容器，其电容值为

其中，S为极板的遮盖面积，单位为m2；ε为极板间介质的节点系数；d 为两平行极板间的距离，单位为m；ε0为真空中的介电常数，大小为8.854× 10-12F/m；εr为极板间介质的相对介电常数，对于空气εr≈1。当被测参数变化使得公式中的S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。对于本实用新型的，主要是改变极板的遮盖面积来改变电容值的大小的。

图5给出了上下电极的相对位置的示意图，其中虚线为包括了三组不同相位差的上电极，实线为数量为N的下电极阵列。对于每一个电极，其电容值为

其中C1代表上下电极重叠区域的电容值，C2代表非重叠区域的电容值。ε1表示第二绝缘层6的绝缘材料的介电常数，ε2表示空气的介电常数，ε2＝1， S1表示第二绝缘层6的绝缘材料的面积，S2表示下电极8的面积，在此实用新型中，S1＝S2，d1表示第二绝缘层6的厚度，d2表示第二绝缘层6与下电极8 之间的距离。

图6-a和图6-b给出了上下电极沿角度转动方向的两种投影，其中图6-a 为上电极为圆形，下电极为扇形的示意图，图6-b为上下电极都为圆形的示意图。从图中可以明显看出，第一组与第二组电极存在180°的相位差，第一组和第三组存在90°的相位差。当角度改变时，可以通过计算相对面积的变化得到电容值的变化。以图6-a的结构为例，计算得到的电容与角度的变化如图 7所示，其中下电极阵列的的个数为12(也可以为16或者其他个数)。

从图7可以看出，电容值与角度的关系接近连续的正弦关系。在实际的检测中，会进一步加上电容的检测电路，使得最终的电压值与转动的角度呈完整的正弦分布。而在数据处理过程中，采用第一组电容和第二组电容相减的方式来确定零点值，在这个过程中，可以排除环境对电容值的干扰，提高精度；采用第一组电容和第三组电容来判断转动的方向，即在第一组电容处于最大值的时候，判断第三组电容的变化趋势，若是增加，则是为正方向，若是减小，则是负方向。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。