CN102636162B - 一种三轴微机械陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三轴微机械陀螺仪，包括基板和固定安装在基板上的陀螺仪主体，其中陀螺仪主体包括平面检测单元和z轴检测单元，平面检测单元包括第一支撑梁、联动梁、驱动电极和第一质量块，z轴检测单元由八个模块组成，其中四个模块沿x轴在y轴质量块两侧分布，剩余四个模块沿y轴在x轴质量块两侧分布，每个模块包括第二支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极，本发明整体结构采用单驱动设计，采用梳齿电极驱动，平面x轴和y轴通过变间隙平板电容检测，z轴通过梳齿电容检测，x、y和z轴分别实现了驱动和检测的解耦，本发明陀螺仪结构紧凑、制作工艺简单、成本低廉、具有较高性能，能实现良好的测量精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种单驱动三轴检测的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技术的惯性器件，可用于测量物体运动的角速度，由于它采用MEMS技术设计和制作，因此具有体积小、质量轻、适合大批量生产和价格低廉的特点，因此在消费电子产品，如数码相机图像稳定、游戏机运动控制、智能手机、掌上电脑和微导航仪等新兴产业上得到应用。
微机械陀螺仪包括驱动部分和检测部分，通过驱动和检测运动的耦合作用实现对运动角速度的测量，因此其设计和制作具有一定的复杂性，而实现高集成的三轴陀螺仪将更加困难。目前单轴陀螺仪的设计和制作技术已经成熟，而三轴陀螺仪相对发展滞后，一般是多个单轴或两轴陀螺仪正交装配，或者将多个陀螺仪集成在单个基板上来实现，但这些都不能满足消费电子产品对陀螺仪小型化的要求，随着市场的发展，新兴产业的带动，单结构高集成度微机械三轴陀螺仪必然会迎来快速发展的时代。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种三轴微机械陀螺仪，该陀螺仪结构紧凑、制作工艺简单、成本低廉、具有较高性能，能实现良好的测量精度和灵敏度。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种三轴微机械陀螺仪，包括基板和固定安装在基板上的陀螺仪主体，其中陀螺仪主体包括平面检测单元和z轴检测单元，平面检测单元包括第一支撑梁、联动梁、驱动电极和第一质量块，其中第一质量块包括两个沿y轴分布的x轴检测质量块x1、x2和两个沿x轴分布的y轴检测质量块y1、y2，且所述四个质量块以基板中心点对称分布，联动梁与支撑梁均为四个，均依次将x轴检测质量块x1、y轴检测质量块y1、x轴检测质量块x2和y轴检测质量块y2连接，驱动电极为四个，分别与四个第一质量块连接，此外基板上对应第一质量块的位置制作金属层，形成平面检测下电极；z轴检测单元由八个模块组成，其中四个模块a、b、c、d沿y轴在x轴检测质量块x1、x2两侧分布，剩余四个模块e、f、g、h沿x轴在y轴检测质量块y1、y2两侧分布，每个模块包括第二支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极，其中驱动梁一端连接第一质量块，另一端连接第二质量块，解耦梁分别连接第二质量块和检测电极，第二支撑梁连接检测电极。
在上述三轴微机械陀螺仪中，第一支撑梁包括内支撑梁和外支撑梁，其中内支撑梁两端分别连接相邻的x轴检测质量块和y轴检测质量块的内端，外支撑梁两端分别连接相邻的x轴检测质量块和y轴检测质量块的外端。
在上述三轴微机械陀螺仪中，内支撑梁和外支撑梁的拐角处焊接在基板上。
在上述三轴微机械陀螺仪中，驱动电极包括固定电极和可动电极，固定电极固置在基板上，可动电极与第一质量块连接。
在上述三轴微机械陀螺仪中，检测电极包括检测固定电极和检测活动电极，检测固定电极固置在基板上，检测活动电极连接第二支撑梁和解耦梁。
在上述三轴微机械陀螺仪中，驱动梁为z字型梁或H型梁。
在上述三轴微机械陀螺仪中，第一质量块和第二质量块上布置有孔。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明陀螺仪为单结构微机械三轴陀螺仪，三轴通过相同驱动实现，平面检测采用变间隙电容检测，z轴检测采用线振动梳齿电容检测，由于在单个结构上实现了三个轴向检测模块的集成，使其结构紧凑，可大幅减小陀螺仪体积和重量，使陀螺仪具有较广的应用范围；
(2)本发明陀螺仪采用电容差模检测，增大了检测信号输出，同时抑制了噪声干扰，能实现良好的测量精度和灵敏度，
(3)本发明陀螺仪制作工艺简单、成本低廉、具有较高性能，适合大批量生产。
附图说明
图1为本发明单结构微机械三轴陀螺仪的立体结构示意图；
图2为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层的示意图；
图3为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层沿A-A剖面图；
图4为本发明单结构微机械三轴陀螺仪基板的主视图；
图5为本发明单结构微机械三轴陀螺仪驱动和z轴检测运动示意图；
图6为本发明单结构微机械三轴陀螺仪平面检测运动示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪的立体结构示意图，三轴陀螺仪包括基板1和固定安置在基板1上的陀螺仪结构2，陀螺仪结构2位于基板1的中央部位，陀螺仪结构2为中部通孔结构，包括平面检测单元和z轴检测单元，平面检测单元和z轴检测单元分布在结构层外围，沿x轴和y轴方向对称分布。
如图2所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层的示意图，由图可知平面检测单元包括第一支撑梁3、联动梁4、驱动电极13和第一质量块5；其中第一质量块5包括两个沿y轴分布的x轴检测质量块x1、x2和两个沿x轴分布的y轴检测质量块y1、y2，平面x轴检测质量块x1、x2外形相同，在平面y轴上以基板中心点对称分布，平面y轴检测质量块y1、y2外形相同，在平面x轴上以基板中心点对称分布。
第一支撑梁3包括内支撑梁3b和外支撑梁3a，其中四个内支撑梁3b两端依次连接质量块x1、y1的内端，质量块y1、x2的内端，质量块x2、y2的内端，质量块y2、x1的内端；四个外支撑梁3a两端依次连接质量块x1、y1的外端，质量块y1、x2的外端，质量块x2、y2的外端，质量块y2、x1的外端。支撑梁3b和外支撑梁3a的拐角处焊接在基板1上。
联动梁4有四个，为直梁或折叠直梁，均匀分布于结构内部，连接平面x轴检测质量块和y轴检测质量块，如图2所示，依次将x轴检测质量块x1、y轴检测质量块y1、x轴检测质量块x2和y轴检测质量块y2连接。
驱动电极13在平面检测结构的内部，分别沿x轴和y轴方向均匀分布，并沿x轴和y轴以基板中心呈对称分布。驱动电极13包括固定电极13a和可动电极13b，固定电极13a固置在基板1上，可动电极13b与第一质量块5连接。
z轴检测单元由八个模块组成，模块外形相同，其中四个模块a、b、c、d沿y轴在x轴检测质量块x1、x2两侧分布，剩余四个模块e、f、g、h沿x轴在y轴检测质量块y1、y2两侧分布，每个模块包括第二支撑梁6、解耦梁7、驱动梁8、第二质量块9和检测电极11，z轴检测单元通过驱动梁8将第二质量块9与平面检测单元的第一质量块5连接，驱动梁8为z字型梁或H型梁，其一端连接第二质量块9，另一端连接第一质量块5。
检测电极11包括检测固定电极11b和检测活动电极11a，检测固定电极11b固置在基板1上，解耦梁7连接第二质量块9和检测活动电极11a，第二支撑梁6连接检测活动电极11a。与x轴检测质量块x1、x2连接的z轴检测结构检测电极沿y轴方向布置，与y轴检测质量块y1、y2连接的z轴检测结构检测电极沿x轴方向布置。如图3所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层沿A-A剖面图。
此外基板1上对应第一质量块5的位置制作金属层，形成平面检测下电极10，如图4所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪基板的主视图。
平面检测单元的第一质量块5和z轴检测单元的第二质量块9上布置有孔12。
本发明单结构微机械三轴陀螺仪，采用单驱动设计，其驱动运动如图5所示，x轴和y轴质量块5做相向和相背运动，且x轴质量块x1、x2相向运动时，y轴质量块y1、y2相背运动，x轴质量块x1、x2相背运动时，y轴质量块y1、y2相向运动，z轴检测单元的第二质量块9与相连接的平面检测单元的第一质量块5一起运动。假设驱动运动速度为v，根据陀螺仪工作原理，当x、y或z轴有角速度w(wx，wy，wz)输入时，各轴质量块哥氏加速度：
x轴：ax＝2v×wx y轴：ay＝2v×wy z轴：az＝2v×wz
x轴和y轴哥氏加速度沿z轴方向，且两质量块做差模运动，z轴哥氏加速度沿x轴和y轴方向，因此x轴和y轴检测电容由于第一质量块5在z轴运动而产生相应的变化，z轴检测电容由于第二质量块9在水平面x轴和y轴的运动而产生相应的变化。
本发明三轴微机械陀螺仪整体结构采用单驱动设计，采用梳齿电极驱动。平面x轴和y轴通过变间隙平板电容检测，z轴通过梳齿电容检测。x轴和y轴结构各有两个，分别在y轴和x轴上对称分布，z轴结构有八个，对称分布在x轴和y轴结构的两侧。x、y和z轴分别实现了驱动和检测的解耦。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：包括基板(1)和固定安装在基板(1)上的陀螺仪主体(2)，其中陀螺仪主体(2)包括平面检测单元和z轴检测单元，所述平面检测单元包括第一支撑梁(3)、联动梁(4)、驱动电极(13)和第一质量块(5)，其中第一质量块(5)包括两个沿y轴分布的x轴检测质量块(x1、x2)和两个沿x轴分布的y轴检测质量块(y1、y2)，且所述四个质量块以基板(1)中心点对称分布，联动梁(4)与支撑梁(3)均为四个，均依次将x轴检测质量块(x1)、y轴检测质量块(y1)、x轴检测质量块(x2)和y轴检测质量块(y2)连接，驱动电极(13)为四个，分别与四个第一质量块(5)连接，此外基板(1)上对应第一质量块(5)的位置制作金属层，形成平面检测下电极(10)；z轴检测单元由八个模块组成，其中四个模块(a、b、c、d)沿y轴在x轴检测质量块(x1、x2)两侧分布，剩余四个模块(e、f、g、h)沿x轴在y轴检测质量块(y1、y2)两侧分布，每个模块包括第二支撑梁(6)、解耦梁(7)、驱动梁(8)、第二质量块(9)和检测电极(11)，其中驱动梁(8)一端连接第一质量块(5)，另一端连接第二质量块(9)，解耦梁(7)分别连接第二质量块(9)和检测电极(11)，第二支撑梁(6)连接检测电极(11)；
所述第一支撑梁(3)包括内支撑梁(3b)和外支撑梁(3a)，其中内支撑梁(3b)两端分别连接相邻的x轴检测质量块和y轴检测质量块的内端，外支撑梁(3a)两端分别连接相邻的x轴检测质量块和y轴检测质量决的外端，且所述内支撑梁(3b)和外支撑梁(3a)的拐角处焊接在基板(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极(13)包括固定电极(13a)和可动电极(13b)，固定电极(13a)固置在基板(1)上，可动电极(13b)与第一质量块(5)连接。
3.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述检测电极(11)包括检测固定电极(11b)和检测活动电极(11a)，检测固定电极(11b)固置在基板(1)上，检测活动电极(11a)连接第二支撑梁(6)和解耦梁(7)。
4.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动梁(8)为z字型梁或H型梁。
5.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述第一质量块(5)和第二质量块(9)上布置有孔(12)。
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