CN102052920B

CN102052920B - 轮式单结构三轴微机械陀螺仪

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Publication number: CN102052920B
Application number: CN2010105553991A
Authority: CN
Inventors: 孙博华; 王琳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: CN102052920A

Abstract

本发明的轮式单结构三轴微机械陀螺仪，其特点是驱动模式或感应模式是通过平面内的角振动来实现，采用双驱动设计，x轴和y轴结构采用同一角振动方式驱动，感应模式为线振动，z轴结构采用线振动式驱动，感应模式为角振动。x轴和y轴结构各两组，分别沿x轴和y轴分布，z轴结构共四组，分布在x轴结构和y轴结构之间并且两两对称。x,y,z轴均实现了驱动与检测的互相解耦。

Description

轮式单结构三轴微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种具有解耦特性的轮式单结构三轴微机械陀螺仪。属于微机电系统（MEMS）领域。

背景技术

微机械陀螺仪是基于微机电系统的惯性器件，可用来测量运动物体的角速度。和传统陀螺仪相比，微机械陀螺仪具有体积小，质量轻，价格低廉，更适合大批量生产等特点。传统陀螺仪，包括机械陀螺仪，激光陀螺仪，光纤陀螺仪等等，一直广范应用于飞行器稳定控制，武器导航制导，汽车安全等领域，由于这些陀螺仪体积大，成本高而不适合应用于消费类电子产品。近年来，随着MEMS技术的发展，微机械陀螺仪正逐渐应用于消费类电子产品，如数码相机的图像稳定，游戏机的控制手柄，手机功能控制，以及和微加速度传感器构成的微导航仪等等。

微机械陀螺仪主要由驱动部分和感应部分组成，由于其设计和制造的复杂性，目前市场上出现的多为一轴和二轴陀螺仪，三轴陀螺仪的应用一般是多个一轴或二轴陀螺仪的正交装配，或者将多个陀螺仪集成在单个芯片上，这些都达不到消费电子类产品市场追求小型化的目的。开发单结构三轴陀螺仪，已经成为微机械陀螺仪研发的重要方向，目前已知的单结构三轴微机械陀螺仪由意大利意法半导体公司开发，它采用双音叉式设计，驱动和感应均采用线性振动。该产品已经应用于美国苹果公司的iPhone4手机之中。随着市场的发展，消费类电子产品需要更多的由单结构三轴微机械陀螺仪实现的功能。

本发明采用轮式单结构设计，其特点是驱动或感应模式是通过角振动实现，采用电容式静电驱动和电容差动输出，结构紧促，减小了陀螺仪体积，适合大批量生产，可实现良好的测量精度和灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧促、成本低廉、制作工艺简单、具有较高品质因子而且可以实现驱动和检测的运动解耦的单结构三轴微机械陀螺仪。

实现本发明的上述目的的技术方案为：一种轮式单结构三轴微机械陀螺仪，包括玻璃衬底和单晶硅层，所述单晶硅层采用键合的方式固定设置在玻璃衬底上，其特征在于：所述单晶硅层位于玻璃衬底的中心位置，它包括中心支撑、水平轴结构和z轴结构，所述水平轴结构包括水平轴驱动电极和水平轴质量块，所述z轴结构包括z轴驱动电极、z轴质量块和z轴感应电极，所述的中心支撑位于玻璃衬底的中心处，中心支撑以键合的形式固定设置在玻璃衬底上，所述的水平轴驱动电极、水平轴质量块、z轴驱动电极、z轴质量块和z轴感应电极位于中心支撑的外围，所述玻璃衬底上对应于水平轴质量块的安装位置刻有凹槽，所述凹槽内沉积有金属层，形成下极板，所述下极板与玻璃衬底上的信号引线相连。

所述水平轴结构还包括位于单晶硅层的水平轴辐条和水平轴转弧，所述的水平轴驱动电极包括水平轴固定梳齿电极和水平轴活动梳齿电极,所述水平轴辐条一端与中心支撑固定连接，所述水平轴辐条的另一端沿径向均匀发散并与水平轴转弧固定连接，所述水平轴活动梳齿电极固定于水平轴转弧内侧，水平轴固定梳齿电极固定于玻璃衬底之上并与所述水平轴活动梳齿电极相贴合，所述水平轴质量块通过一对折形梁固定于水平轴转弧上；水平轴驱动电极由水平轴固定梳齿电极、水平轴活动梳齿电极组成。

所述的z轴结构还包括，z轴辐条、z轴内转弧、z轴外转弧和转弧连接直梁，所述z轴驱动电极固定弧形梳齿和活动弧形梳齿，所述z轴感应电极包括轴固定梳齿电极和z轴活动梳齿电极，所述z轴辐条一端与中心支撑固定连接，所述z轴辐条的另一端沿径向均匀发散并与z轴内转弧固定连接，所述z轴外转弧通过转弧连接直梁与z轴内转弧固定连接，所述转弧连接直梁通过弧形固定梁固定连接，所述z轴活动梳齿电极分为两组，其中一组z轴活动梳齿电极固定于z轴内转弧的内侧，另一组z轴活动梳齿电极固定于z轴外转弧的外侧，所述z轴固定梳齿电极键合于玻璃衬底上，也分为两组，其中一组z轴固定梳齿电极与固定在z轴内转弧的z轴活动梳齿电极相贴合，另一组与z轴固定梳齿电极与固定在z轴外转弧的z轴活动梳齿电极相贴合，所述z轴质量块通过悬臂梁固定于所述转弧连接直梁上，所述活动弧形梳齿固定于所述z轴质量块上，所述固定活动梳齿键合于玻璃衬底之上并与所述活动弧形梳齿贴合。

所述水平轴质量块包括两块x轴质量块和两块y轴质量块，x轴质量块和y轴质量块的外形相同，所述x轴质量块中心与所述中心支撑轴心的连线垂直于所述y轴质量块中心与所述中心支撑轴心的连线，所述z轴质量块共有四块，z轴质量块分布在x轴质量块和y轴质量块之间并且两两对称。所述水平轴转弧、z轴内转弧、z轴外转弧、转弧连接直梁、水平轴质量块、z轴质量块和弧形固定梁上均布置有孔。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）实现三轴的单结构集成，结构紧促，制造工艺简单，适合大批量生产，价格低廉；2）各轴采用差模输出，增加了输出信号，提高了陀螺仪的灵敏度，抑制了干扰信号3）实现了驱动和感应的完全解耦。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明：

图1是本发明轮式单结构三轴微机械陀螺仪的立体示意图；

图2 是本发明轮式单结构三轴微机械陀螺仪的单晶硅层主视图；

图3 是图2沿A-A的剖视图；

图4 是本发明轮式单结构三轴微机械陀螺仪的玻璃衬底主视图；

图5是图4沿B-B的剖视图；

图6是水平轴的驱动模态示意图；

图7是水平轴的感应模态示意图；

图8是z轴的驱动模态示意图；

图9 是z轴的感应模态示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示的轮式单结构三轴微机械陀螺仪，包括玻璃衬底1和采用键合的方式固定设置在玻璃衬底1上的单晶硅层2，所述单晶硅层2位于玻璃衬底1的中心位置，它包括中心支撑20、水平轴驱动电极、水平轴质量块222、z轴驱动电极、z轴质量块230和z轴感应电极，其中所述的中心支撑20位于玻璃衬底1的中心处，中心支撑20以键合的形式固定在玻璃衬底1上，水平轴驱动电极、水平轴质量块222、z轴驱动电极、z轴质量块230和z轴感应电极位于中心支撑20的外围，所述玻璃衬底上对应于水平轴质量块的安装位置刻有凹槽，所述凹槽内沉积有金属层，形成下极板220，所述下极板与玻璃衬底上的信号引线30相连。

所述的轮式单结构三轴微机械陀螺仪，其包括水平轴结构和z轴结构，所述水平轴结构包括位于单晶硅层1的水平轴辐条510、水平轴转弧512、水平轴质量块222、水平轴固定梳齿电极513和水平轴活动梳齿电极514和以及位于玻璃衬底2上的下极板220,所述水平轴辐条510一端与中心支撑20固定连接，所述水平轴辐条510的另一端沿径向均匀发散并与水平轴转弧512固定连接，所述水平轴活动梳齿电极514固定于水平轴转弧512内侧，水平轴固定梳齿电极513固定于玻璃衬底1之上并与所述水平轴活动梳齿电极514相贴合，所述水平轴质量块222通过两对折形梁221固定于水平轴转弧512；水平轴的驱动电极由水平轴固定梳齿电极513和水平轴活动梳齿电极514组成。水平轴质量块222和下极板230组成水平轴感应电容，水平轴质量块222包括两块x轴质量块和两块y轴质量块，x轴质量块和y轴质量块的外形相同，所述x轴质量块中心与所述中心支撑轴心的连线垂直于所述y轴质量块中心与所述中心支撑轴心的连线，所以对应的水平轴感应电容分为x轴感应电容和y轴感应电容，x轴感应电容由x轴质量块和对应的下极板组成，y轴感应电容由y轴质量块和对应的下极板组成，x轴感应电容用来感应x轴的角速度，y轴感应电容用来感应y轴的角速度。

z轴结构包括z轴固定梳齿电极542、z轴活动梳齿电极541、z轴辐条539、z轴内转弧517、z轴外转弧518和转弧连接直梁51，z轴质量块230，固定弧形梳齿233和活动弧形梳齿232。所述z轴辐条539一端与中心支撑20固定连接，所述z轴辐条539的另一端沿径向均匀发散并与z轴内转弧517固定连接，所述z轴外转弧518通过转弧连接直梁51与z轴内转弧517固定连接，所述转弧连接直梁51通过弧形固定梁555固定连接，所述z轴活动梳齿电极541分为两组，其中一组z轴活动梳齿电极541固定于z轴内转弧517的内侧，另一组z轴活动梳齿电极541固定于z轴外转弧518的外侧，所述z轴固定梳齿电极542键合于玻璃衬底上，也分为两组，其中一组z轴固定梳齿电极542与固定在z轴内转弧517的z轴活动梳齿电极541相贴合，另一组与z轴固定梳齿电极542与固定在z轴外转弧518的z轴活动梳齿电极541相贴合。所述z轴质量块230通过悬臂梁231固定于所述转弧连接直梁51上，所述活动弧形梳齿232固定于所述z轴质量块230上，所述固定活动梳齿233键合于玻璃衬底1之上并与所述活动弧形梳齿232贴合。z轴的驱动电极由活动弧形梳齿232和固定弧形梳齿233组成；z轴的感应电极包括z轴固定梳齿电极542和z轴活动梳齿电极541。z轴质量块230共有四块，z轴质量块分布在x轴质量块和y轴质量块之间并且两两对称。

所述水平轴转弧512、z轴内转弧517、z轴外转弧518、转弧连接直梁51、水平轴质量块222、z轴质量块230和弧形固定梁555上均布置有孔288。

本发明的轮式单结构三轴微机械陀螺仪，水平轴结构采用角振动驱动，水平轴感应模式为线振动，z轴结构采用线振动驱动，z轴感应模式为角振动。水平轴的轮式驱动，其驱动角速度为

Figure 2010105553991100002DEST_PATH_IMAGE001

，由此对质量块产生x,y方向的线速度，分别为

，

Figure 2010105553991100002DEST_PATH_IMAGE003

，z轴直线式驱动其速度为

，根据陀螺仪的原理，陀螺仪驱动时，各轴质量块，在其对应的角速度的作用下哥氏加速度为：

x轴：

Figure 2010105553991100002DEST_PATH_IMAGE005

，y轴：

，z轴：

x,y轴的哥氏加速度方向是沿z向，z轴的哥氏加速度方向是沿切向。因此，感应x,y轴的感应电容会由于水平轴质量块222的上下运动而发生相应的变化，感应z轴的感应电容会由于z轴质量块230的切向运动而发生相应的变化。

如图6至图9所示，利用CoventorWare软件对陀螺仪进行模态分析，CoventorWare是专业的MEMS器件设计软件，图6是水平轴驱动模态示意图，当水平轴固定梳齿电极513，水平轴活动梳齿电极514在周期性交变电压驱动下，水平轴辐条510变形，水平轴转轮512带动水平轴质量块222作往复式角振动，在振动中，水平轴质量块222相对水平轴转弧512的位移很小可以忽略，由此陀螺仪工作时，水平轴质量块均按照给定角速度绕中心做往复角振动。因为水平轴的下级板220的面积包含其与水平轴质量块222的正对面积，因此，陀螺仪在驱动时，水平轴无信号输出；图7是感应水平轴角速度的模态示意图，折形梁221产生变形，水平轴质量块222一方朝下运动，另一方朝上运动，这样和下级板220产生差动电容输出.由此，可以测量水平轴角速度，在感应水平轴角速度的过程中，水平轴转弧512并没有上下位移，所以感应对驱动不产生影响。因此，水平轴结构可以用来测量水平轴的角速度，并且可以实现驱动和感应的互相解耦。图8是z轴驱动模态示意图,悬臂梁231产生变形，每个z轴质量块230作往复径向运动，驱动时，z轴辐条539没有变形，因此驱动对感应输出没有影响。图9是z轴感应模态示意图，z轴辐条539变形，整个感应结构绕中心旋转，z轴活动梳齿541，z轴固定梳齿542组成电容发生变化，上部的两个电容和下部的两个电容形成差动输出，因为弧形活动梳齿232包容其与弧形固定梳齿233的正对面积，这样感应时，不会影响驱动电容进而不会对驱动产生影响。因此，z轴结构可以用来测量z轴的角速度，并且可以实现驱动和感应的互相解耦。

以上只是本发明的一个例子，而任何人员有可能在不脱离本发明的保护范围内对设计作出更改或者变动，但这些应当理解为仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种轮式单结构三轴微机械陀螺仪，包括玻璃衬底和单晶硅层，所述单晶硅层采用键合的方式固定设置在玻璃衬底上，其特征在于：所述单晶硅层位于玻璃衬底的中心位置，它包括中心支撑、水平轴结构和z轴结构，所述水平轴结构包括水平轴驱动电极和水平轴质量块，所述z轴结构包括z轴驱动电极、z轴质量块和z轴感应电极，所述的中心支撑位于玻璃衬底的中心处，中心支撑以键合的形式固定设置在玻璃衬底上，所述的水平轴驱动电极、水平轴质量块、z轴驱动电极、z轴质量块和z轴感应电极位于中心支撑的外围，所述玻璃衬底上对应于水平轴质量块的安装位置刻有凹槽，所述凹槽内沉积有金属层，形成下极板，所述下极板与玻璃衬底上的信号引线相连；所述水平轴结构还包括位于单晶硅层的水平轴辐条和水平轴转弧，所述的水平轴驱动电极包括水平轴固定梳齿电极和水平轴活动梳齿电极，所述水平轴辐条一端与中心支撑固定连接，所述水平轴辐条的另一端沿径向均匀发散并与水平轴转弧固定连接，所述水平轴活动梳齿电极固定于水平轴转弧内侧，水平轴固定梳齿电极固定于玻璃衬底之上并与所述水平轴活动梳齿电极相贴合，所述水平轴质量块通过一对折形梁固定于水平轴转弧上；水平轴驱动电极由水平轴固定梳齿电极、水平轴活动梳齿电极组成；所述的z轴结构还包括z轴辐条、z轴内转弧、z轴外转弧和转弧连接直梁，所述z轴驱动电极包括固定弧形梳齿和活动弧形梳齿，所述z轴感应电极包括z轴固定梳齿电极和z轴活动梳齿电极，所述z轴辐条一端与中心支撑固定连接，所述z轴辐条的另一端沿径向均匀发散并与z轴内转弧固定连接，所述z轴外转弧通过转弧连接直梁与z轴内转弧固定连接，所述转弧连接直梁通过弧形固定梁固定连接，所述z轴活动梳齿电极分为两组，其中一组z轴活动梳齿电极固定于z轴内转弧的内侧，另一组z轴活动梳齿电极固定于z轴外转弧的外侧，所述z轴固定梳齿电极键合于玻璃衬底上，也分为两组，其中一组z轴固定梳齿电极与固定在z轴内转弧的z轴活动梳齿电极相贴合，另一组z轴固定梳齿电极与固定在z轴外转弧的z轴活动梳齿电极相贴合，所述z轴质量块通过悬臂梁固定于所述转弧连接直梁上，所述活动弧形梳齿固定于所述z轴质量块上，所述固定弧形梳齿键合于玻璃衬底之上并与所述活动弧形梳齿贴合。

2.根据权利要求1所述的轮式单结构三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述水平轴质量块包括两块x轴质量块和两块y轴质量块，x轴质量块和y轴质量块的外形相同，所述x轴质量块中心与所述中心支撑轴心的连线垂直于所述y轴质量块中心与所述中心支撑轴心的连线，所述z轴质量块共有四块，z轴质量块分布在x轴质量块和y轴质量块之间并且两两对称。

3.根据权利要求1所述的轮式单结构三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述水平轴转弧、z轴内转弧、z轴外转弧、转弧连接直梁、水平轴质量块、z轴质量块和弧形固定梁上均布置有孔。