一种动态自平衡结构的制作方法

本发明涉及一种动态自平衡结构与方法，尤其涉及一种基于mems双端固支悬挂梁的动态自平衡结构与方法，属于基于微机电系统（mems）的自动控制技术领域。

背景技术：

大到飞机、舰船，小到平衡车、手机，在其运行过程中，都会因各种因素发生机体倾斜或方位的偏斜，而对其运行状态产生影响，需要采取相应的措施保持其运行过程中的动态平衡。

现有技术中用于检测和控制运动物体平衡状态的装置主要是陀螺，传统惯性陀螺主要是机械式陀螺，其中液浮陀螺、动力陀螺和静电陀螺是其典型结构。旋转的陀螺轴总是试图指向一个固定方向，用两个旋转轴互成直角的陀螺构成一个平台，并将该平台置于平衡环中，则无论平衡环如何转动，平台都将保持稳定状态，如此便构成惯性导航系统，这也是平衡车的平衡原理，但机械式陀螺结构复杂、工艺要求高，其精度受诸多因素的制约，成本较高。

目前光纤陀螺已在很多的领域取代机械式陀螺，光纤陀螺具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，但对光源的频谱宽度、单色性等有较高的要求。

而随着微电子和微机械加工技术的发展，微机电陀螺发展迅速，硅微机械陀螺基于mems技术和标准ic工艺，具有产品体积小、质量轻、成本低、功耗低等优点，在运动导航和平衡控制领域得到越来越多的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于mems双端固支悬挂电极的动态自平衡结构。

本发明的目的是这样实现的：一种动态自平衡结构，包括上基板，在所述上基板的顶面设置四个电阻条、四个双端固支悬挂电极和四个上基板顶面接地电极；在所述上基板的底面设置四个下拉电极上电极、四个分压电阻、一个环形直流偏置电极和一个上基板底面环形接地电极，在上基板的底面中央固定连接球形铰链半球形基座，在上基板上设置贯穿上基板的多个直流偏置金属通孔和多个接地金属通孔；在所述上基板的下方设置下基板，在下基板的顶面设置四个下拉电极下电极、一个直流偏置输入电极、一个直流接地电极、一个下基板顶面环形接地电极和接地电极连接导线，在下基板的顶面中央固定连接球形铰链球形体，球形铰链球形体的下部位于下基板顶面环形接地电极内，上部嵌在球形铰链半球形基座内；所述四个双端固支悬挂电极与四个上基板顶面接地电极一一对应相连，四个上基板顶面接地电极分别通过接地金属通孔均与上基板底面环形接地电极相连，上基板底面环形接地电极、球形铰链半球形基座、球形铰链球形体、下基板顶面环形接地电极、直流接地电极依次相连，直流接地电极分别通过接地电极连接导线与四个下拉电极下电极相连；所述四个电阻条的两端通过直流偏置金属通孔与四个下拉电极上电极一一对应相连，四个下拉电极上电极分别通过分压电阻与环形直流偏置电极相连，环形直流偏置电极通过软质导线与直流偏置输入电极相连；所述四个下拉电极上电极分别位于上基板的四个角上，与位于下基板的四个角上的四个下拉电极下电极一一对应；所述上基板的四个角与下基板的四个角之间分别安装弹性缓冲环，所述弹性缓冲环的底部和顶部分别环绕下拉电极下电极和下拉电极上电极。

应用时，通过直流偏置输入电极和直流接地电极外接直流偏置电源，使各个双端固支悬挂电极和各个下拉电极下电极接地，即使各个电阻条上与悬跨于其上的双端固支悬挂电极软质金属梁的垂点的接触点为零电位点。当上基板结构向前倾斜、向后倾斜、向左倾斜、向右倾斜时，各个双端固支悬挂电极软质金属梁的垂点与其正下方电阻条的接触点对应向前偏移、向后偏移、向左偏移、向右偏移，分割电阻条为两个不等的部分，以设置各个下拉电极上电极为不等的电位，并在各个下拉电极上电极和下拉电极下电极之间产生相应的下拉电压及下拉力，从而使上基板结构自动回复至水平状态。弹性缓冲环的设置避免了当上基板发生前后左右倾斜而即时产生的使上基板回复至水平状态的下拉力的急冲作用以及由此产生的上基板的前后左右震荡乃至失衡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

⑴基于mems技术设计，可实现实时、动态控制。本发明利用mems双端固支悬挂电极上随结构平衡状态变动而发生位置变化的软质金属梁垂点调节用于控制结构姿态的下拉电压，实时感知并调整结构所在平面相对于水平面的偏离，实现结构的动态自平衡。

⑵易于制作。本发明的主要结构采用常规mems工艺技术制作，制作方便。

优选地，所述上基板顶面的四个电阻条其中两个横向布置，呈前后设置，另外两个纵向布置，呈左右设置，所述四个电阻条的这一布局方式便于配合当上基板前后左右倾斜时结构实现自动平衡。

优选地，所述四个双端固支悬挂电极分别对应悬跨于四个电阻条上，每个双端固支悬挂电极包括位于所悬跨的电阻条两端外侧的金属固支基座、两端固定在金属固支基座上的软质金属梁，所述各个双端固支悬挂电极的软质金属梁自然下垂，与对应下方电阻条上的一点相接触，所述每个上基板顶面接地电极的一端分别与相应的双端固支悬挂电极的金属固支基座连接。由于所述双端固支悬挂电极的金属固支基座分别与相应的接地电极相连，故双端固支悬挂电极软质金属梁的垂点与下方的电阻条接触点定义了电阻条的零电位点。如此，当上基板发生前后左右的倾斜时，接触点位置随之而改变，分割电阻条为两个不等的部分，为两侧的下拉电极提供相应的下拉电压及下拉力，使上基板回复至水平状态，实现结构的实时自动平衡。

优选地，所述四个下拉电极上电极分别位于上基板的四个角上，每个下拉电极上电极均分隔为横侧分电极和纵侧分电极两个部分，分别通过第二金属通孔与上基板顶面对应的电阻条的两端相连，并分别通过对应的分压电阻与环形直流偏置电极相连。如此，当上基板仅发生前后倾斜或者左右倾斜，或者同时发生前后左右倾斜时，均可在上下正对的各对下拉电极上电极和下拉电极下电极之间产生相应的下拉电压及一个总的下拉力，使上基板回复至水平状态，实现结构的动态自平衡，同时各个下拉电极上电极上分隔横侧分电极和纵侧分电极的s形间隙可使当上基板仅发生前后倾斜或者左右倾斜，下拉电压及下拉力仅由一侧的分电极提供时，所述下拉力在上下正对的各对下拉电极上电极和下拉电极下电极之间的分布较为均衡。

优选地，所述上基板和下基板采用硅单晶基片，或者陶瓷基板，或者双面敷铜有机基板。

优选地，所述双端固支悬挂电极、接地电极、下拉电极上电极、直流偏置电极、环形接地电极、下拉电极下电极、直流偏置输入电极、直流接地电极、环形接地电极、直流偏置金属通孔、接地金属通孔的材料为铜，或者金，球形铰链球形体和球形铰链半球形基座的材料为铜。

优选地，所述电阻条为薄膜平面电阻，其材料为金属合金或者金属氧化物，采用磁控溅射镀膜和光刻图形化工艺方法制作，或者为厚膜平面电阻，其材料为金属系电阻浆料，采用印刷和烧结工艺方法制作。

优选地，所述分压电阻为薄膜平面电阻，其材料为金属合金或者金属氧化物，采用磁控溅射镀膜和光刻图形化工艺方法制作，或者为厚膜平面电阻，其材料为金属系电阻浆料，采用印刷和烧结工艺方法制作，或者为贴片式电阻，采用焊接方法安装。

优选地，所述弹性缓冲环为轻质有机弹性套管，或者两端绝缘的轻质金属弹簧，采用胶粘方式安装。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是图1中a-a向剖视图；

图3是图1中b-b向剖视图；

图4是图2中上基板的结构示意图；

图5是图4的仰视图；

图6是图2中下基板的结构示意图；

图7是图6的俯视图。

图中：1上基板、11电阻条、12双端固支悬挂电极、13上基板顶面接地电极、14下拉电极上电极、15环形直流偏置电极、16上基板底面环形接地电极、17球形铰链半球形基座、181直流偏置金属通孔、182接地金属通孔、121金属固支基座、122软质金属梁、141横侧分电极、142纵侧分电极、2下基板、21下拉电极下电极、22直流偏置输入电极、23直流接地电极、24下基板顶面环形接地电极、25接地电极连接导线、26球形铰链球形体、3分压电阻、4弹性缓冲环、5软质导线。

具体实施方式

如图1－7所示，动态自平衡结构，包括上基板1，在上基板1的顶面设置四个电阻条11、四个双端固支悬挂电极12和四个上基板顶面接地电极13；在上基板1的底面设置四个下拉电极上电极14、四个分压电阻3、一个环形直流偏置电极15和一个上基板底面环形接地电极16，在上基板1的底面中央固定连接球形铰链半球形基座17，在上基板1上设置贯穿上基板1的多个直流偏置金属通孔181和多个接地金属通孔182。

上基板1顶面的四个电阻条11其中两个横向布置，呈前后设置，另外两个纵向布置，呈左右设置。四个双端固支悬挂电极12分别对应悬跨于四个电阻条11上，每个双端固支悬挂电极12包括金属固支基座121和软质金属梁122，四个金属固支基座121分别位于上基板1的四个角上，相邻两个金属固支基座121悬跨于电阻条11上，每个软质金属梁122的两端分别与邻两个金属固支基座121连接，各个双端固支悬挂电极12的软质金属梁122自然下垂，与对应下方电阻条11上的一点相接触；每个上基板顶面接地电极13的一端分别与相应的双端固支悬挂电极12的金属固支基座121连接。

在上基板1的下方设置下基板2，在下基板2的顶面设置四个下拉电极下电极21、一个直流偏置输入电极22、一个直流接地电极23、一个下基板顶面环形接地电极24和接地电极连接导线25，在下基板2的顶面中央固定连接球形铰链球形体26，球形铰链球形体26的下部位于下基板顶面环形接地电极24内，上部嵌在球形铰链半球形基座17内。

四个双端固支悬挂电极12与四个上基板顶面接地电极13一一对应相连，四个上基板顶面接地电极13分别通过接地金属通孔182均与上基板底面环形接地电极16相连，上基板底面环形接地电极16、球形铰链半球形基座17、球形铰链球形体26、下基板顶面环形接地电极24、直流接地电极23依次相连，直流接地电极23分别通过接地电极连接导线25与四个下拉电极下电极21相连。

四个电阻条11的两端通过直流偏置金属通孔181与四个下拉电极上电极14一一对应相连，四个下拉电极上电极14分别通过分压电阻3与环形直流偏置电极15相连，环形直流偏置电极15通过软质导线5与直流偏置输入电极22相连；

四个下拉电极上电极14分别位于上基板1的四个角上，与位于下基板2的四个角上的四个下拉电极下电极21一一对应。上基板1的四个角与下基板2的四个角之间分别安装弹性缓冲环4，弹性缓冲环4的底部和顶部分别环绕下拉电极下电极21和下拉电极上电极14。

四个下拉电极上电极14分别位于上基板1底面的四个角上，每个下拉电极上电极14均分隔为横侧分电极141和纵侧分电极142两个部分，分别通过直流偏置金属通孔181与上基板1顶面对应的电阻条11的两端相连，并分别通过对应的分压电阻3与环形直流偏置电极15相连。在横侧分电极141和纵侧分电极142之间有s形间隙。

应用时，通过直流偏置输入电极22和直流接地电极23外接直流偏置电源，使各个双端固支悬挂电极12和各个下拉电极下电极21接地，即使各个电阻条11上与悬跨于其上的双端固支悬挂电极12软质金属梁122的垂点的接触点为零电位点；

零电位接触点将各个电阻条11分隔为两个分电阻，每个分电阻的一端为零电位接触点，另一端通过直流偏置金属通孔181与上基板底面对应的下拉电极上电极14的横侧分电极141或者纵侧分电极142以及对应的分压电阻3的一端相连，分电阻与对应的分压电阻3构成串联支路，串联支路上的总电压即为外接直流偏置电源电压，分电阻上的电压即为该分电阻在串联支路中所取的分电压，此即为该分电阻与对应分压电阻3相连点的电位值，亦即为对应的下拉电极上电极14的横侧分电极141或者纵侧分电极142的电位值；

当上基板1结构处于水平状态时，其顶面各个双端固支悬挂电极12软质金属梁122的垂点与对应的电阻条11的中点相接触，定义各个电阻条11的中点为零电位点，等分电阻条11得到两个相等的分电阻，各个分电阻所取的分电压相等，即对应的上基板1底面各个下拉电极上电极14的各个横侧分电极141和纵侧分电极142的电位相等，亦即施加在上基板1底面各个下拉电极上电极14的各个横侧分电极141和纵侧分电极142与对应的下基板2顶面下拉电极下电极21之间的下拉电压相等，则上基板1底面各个下拉电极上电极14所承受的总下拉力相同，上基板1结构保持原有的水平状态不变；

当上基板1结构向左倾斜或者向右倾斜时，其顶面上下设置的两个横向双端固支悬挂电极12软质金属梁122的垂点向左偏离或者向右偏离，与下方对应的电阻条11上中间偏左的一点或者中间偏右的一点接触，定义该点为零电位点，分隔电阻条11使其右侧分电阻或者左侧分电阻大于其左侧分电阻或者右侧分电阻，右侧分电阻或者左侧分电阻上的分电压大于左侧分电阻或者右侧分电阻上的分电压，对应的上基板1底面右侧下拉电极上电极14的横侧分电极141或者左侧下拉电极上电极14的横侧分电极141的电位大于左侧下拉电极上电极14的横侧分电极141或者右侧下拉电极上电极14的横侧分电极141的电位，即施加在上基板1底面右侧下拉电极上电极14的横侧分电极141或者左侧下拉电极上电极14的横侧分电极141与对应的下基板2顶面下拉电极下电极21之间的下拉电压大于施加在左侧下拉电极上电极14的横侧分电极141或者右侧下拉电极上电极14的横侧分电极141与对应的下拉电极下电极21之间的下拉电压，而上基板1顶面左右设置的两个纵向双端固支悬挂电极12软质金属梁122的垂点仍保持其居中位置并与对应的电阻条11的中点相接触，各个下拉电极上电极14的纵侧分电极142的电位仍保持相等，亦即施加在各个下拉电极上电极14的纵侧分电极142与对应的下拉电极下电极21之间的下拉电压仍保持相等，则上基板1底面右侧下拉电极上电极14或者左侧下拉电极上电极14所承受的总下拉力大于左侧下拉电极上电极14或者右侧下拉电极上电极14所承受的总下拉力，上基板1向右侧倾斜或者向左侧倾斜，使上基板1结构回复至水平状态；

当上基板1结构向前倾斜或者向后倾斜时，其顶面左右设置的两个纵向双端固支悬挂电极12软质金属梁122的垂点向前偏离或者向后偏离，与下方对应的电阻条11上中间偏前的一点或者中间偏后的一点接触，定义该点为零电位点，分隔电阻条11使其后侧分电阻或者前侧分电阻大于其前侧分电阻或者后侧分电阻，后侧分电阻或者前侧分电阻上的分电压大于前侧分电阻或者后侧分电阻上的分电压，对应的上基板1底面后侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142或者前侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142的电位大于前侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142或者后侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142的电位，即施加在上基板1底面后侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142或者前侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142与对应的下基板2顶面下拉电极下电极21之间的下拉电压大于施加在前侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142或者后侧下拉电极上电极14的纵侧分电极142与对应的下拉电极下电极21之间的下拉电压，而上基板1顶面上下设置的两个横向双端固支悬挂电极12软质金属梁122的垂点仍保持其居中位置并与对应的电阻条11的中点相接触，各个下拉电极上电极14的横侧分电极141的电位仍保持相等，亦即施加在各个下拉电极上电极14的横侧分电极141与对应的下拉电极下电极21之间的下拉电压仍保持相等，则上基板1底面后侧下拉电极上电极14或者前侧下拉电极上电极14所承受的总下拉力大于前侧下拉电极上电极14或者后侧下拉电极上电极14所承受的总下拉力，上基板1向后侧倾斜或者向前侧倾斜，使上基板1结构回复至水平状态。

上基板1和下基板2采用硅单晶基片，或者陶瓷基板，或者双面敷铜有机基板。双端固支悬挂电极12、上基板顶面接地电极13、下拉电极上电极14、直流偏置电极15、上基板底面环形接地电极16、下拉电极下电极21、直流偏置输入电极22、直流接地电极23、下基板顶面环形接地电极24、直流偏置金属通孔181、接地金属通孔182的材料为铜或者金，球形铰链球形体26和球形铰链半球形基座17的材料为铜。电阻条11为薄膜平面电阻，其材料为金属合金或者金属氧化物，采用磁控溅射镀膜和光刻图形化工艺方法制作，或者为厚膜平面电阻，其材料为金属系电阻浆料，采用印刷和烧结工艺方法制作。分压电阻3为薄膜平面电阻，其材料为金属合金或者金属氧化物，采用磁控溅射镀膜和光刻图形化工艺方法制作，或者为厚膜平面电阻，其材料为金属系电阻浆料，采用印刷和烧结工艺方法制作，或者为贴片式电阻，采用焊接方法安装。弹性缓冲环4为轻质有机弹性套管，或者两端绝缘的轻质金属弹簧，采用胶粘方式安装。

本发明的制作过程：

1、上基板1的制作：

⑴直流偏置金属通孔181和接地金属通孔182的制作：

硅单晶基片旋涂正性光刻胶，曝光显影去除待制硅通孔所在处的光刻胶胶膜；刻蚀形成硅通孔；磁控溅射，硅通孔内壁覆盖金膜；去胶，得到各个金属通孔。

⑵金属电极和双端固支悬挂电极12金属固支基座121电镀种子层的制作：

上述基片顶面和底面分别旋涂正性光刻胶、曝光、显影，去除待制上基板顶面接地电极13、双端固支悬挂电极12金属固支基座121种子层和基片底面下拉电极上电极14、环形直流偏置电极15、上基板底面环形接地电极16所在位置处的光刻胶胶膜；磁控溅射覆盖金膜；去胶，连同去除覆盖其上的金膜，得到上基板顶面接地电极13、双端固支悬挂电极12金属固支基座121种子层、下拉电极上电极14、环形直流偏置电极15、上基板底面环形接地电极16。

⑶电阻条11和分压电阻3的制作：

上述基片顶面和底面分别旋涂正性光刻胶、曝光、显影，去除待制基片顶面电阻条11和基片底面分压电阻3所在位置处的光刻胶胶膜；磁控溅射覆盖金属合金电阻膜；去胶，连同去除覆盖其上的金属合金电阻膜，得到各个电阻条11和分压电阻3。

⑷双端固支悬挂电极12的制作：

上述基片顶面结构层表面旋涂正性光刻胶，曝光显影去除双端固支悬挂电极12金属固支基座121种子层上方的光刻胶胶膜；电镀厚金膜；去胶，连同去除覆盖其上的厚金膜，得到各个双端固支悬挂电极12的金属固支基座121；

上述基片顶面结构层表面旋涂正性光刻胶，曝光显影去除待制的双端固支悬挂电极12软质金属梁122下牺牲层所在位置处的光刻胶胶膜；磁控溅射覆盖二氧化硅厚膜；去胶，连同去除覆盖其上的二氧化硅膜，得到各个双端固支悬挂电极12软质金属梁122下二氧化硅牺牲层；

上述基片顶面结构层表面旋涂正性光刻胶，曝光显影去除各个双端固支悬挂电极12金属固支基座121、二氧化硅牺牲层上方的光刻胶胶膜；磁控溅射覆盖金膜；去胶，连同去除覆盖其上的金膜，得到四个双端固支悬挂电极12软质金属梁122电镀种子层；

上述基片顶面结构层表面旋涂正性光刻胶，光刻去除四个双端固支悬挂电极12软质金属梁122电镀种子层上方的光刻胶胶膜；电镀软质厚金膜；去胶，连同去除覆盖其上的金膜；去除各个双端固支悬挂电极12软质金属梁122下二氧化硅牺牲层，释放四个双端固支悬挂电极12的软质金属梁122，得到四个双端固支悬挂电极12。

⑸上基板1底面中央用导电胶粘接球形铰链半球形基座17。

2、下基板2的制作：

⑴金属电极的制作：

硅单晶基片顶面旋涂正性光刻胶，曝光显影去除待制下拉电极下电极21、直流偏置输入电极22、直流接地电极23、环形接地电极24和接地电极连接导线25所在位置处的光刻胶胶膜；磁控溅射覆盖金膜；去胶，连同去除覆盖其上的金膜，得到下拉电极下电极21、直流偏置输入电极22、直流接地电极23、下基板顶面环形接地电极24和接地电极连接导线25。

⑵下基板2的顶面中央用导电胶粘接球形铰链球形体26。

3、上基板1和下基板2的组合：

⑴用软质导线5连接上基板1底面的环形直流偏置电极15与下基板顶面的直流偏置输入电极22；

⑵在上基板1底面和下基板2顶面四个角处分别胶粘固定弹性缓冲环的上下端4；

⑶将上基板1底面的球形铰链半球形基座17与下基板2顶面的球形铰链球形体26嵌合；

4、上基板1水平校准：

调节各个弹性缓冲环4，校准上基板1的水平度。

5、外接直流偏置电源：

应用时，下基板2顶面直流偏置输入电极22接外接直流偏置电源正极，下基板2顶面直流接地电极23接外接直流偏置电源地极。

熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下做出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。