CN103438878A

CN103438878A - 一种三轴微机械陀螺仪

Info

Publication number: CN103438878A
Application number: CN2013104177203A
Authority: CN
Inventors: 滕金燕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-15
Filing date: 2013-09-15
Publication date: 2013-12-11

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，平面检测单元包括支撑结构、驱动电极和第一质量块；z轴检测单元由两个模块组成，沿x轴以基板中心点对称分布，每个模块包括支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极。本发明陀螺仪整体结构采用单驱动设计，采用梳齿电极驱动，平面内x轴和y轴通过平板电容检测，z轴通过梳齿电容检测，x、y和z轴均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

一种三轴微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种单芯片单驱动三轴检测微机械陀螺仪。属于微机电系统（MEMS）领域。

背景技术

微机械陀螺仪是用于测量物体运动角速度的惯性器件，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，广泛应用于消费电子产品，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。

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；当陀螺处于驱动运动模态，并且在与驱动模态运动轴向垂直的第二方向有角速度输入时，由于哥氏效应陀螺仪在检测轴向产生检测模态运动，通过测量检测模态运动的位移，即刻测定物体的转动角速度。随着微机电陀螺技术的发展，高集成度、低成本的三轴测量陀螺满足了现代消费电子产品的需求，成为微机电陀螺仪发展的趋势。三轴陀螺仪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，并且要求的配套电路设计复杂，随着技术的发展，高集成度微机械三轴陀螺仪必然会成为未来三轴陀螺仪的主流。

近年来国外已经已有公司发布了三轴微机械陀螺仪，如意法半导体发布了一种单驱动微机械三轴陀螺仪（美国专利：US20110154898A1），并成功实现应用。但在其发明结构中，由于弹性耦合梁和支撑梁采用分离设计，一方面使结构复杂化，增加了设计难度；另一方面，由于结构复杂，相当于在陀螺设计中增加了潜在的误差源，影响了陀螺仪的设计性能，不利于实现高精度测量。

本发明采用单结构设计，通过将弹性耦合梁和支撑梁进行整合从而简化设计，采用静电驱动和差动电容检测工作方式，体积小，集成度高，功耗小，成本低，适合大批量生产，能实现良好的测量精度和灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种单结构、单驱动三轴微机械陀螺仪，该陀螺仪简化结构设计，结构紧凑、驱动方式简单、成本低廉、适合大批量生产、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，所述平面检测单元包括支撑结构、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；所述支撑结构与第一质量块相连；驱动电极与第一质量块连接；此外基板上对应第一质量块的位置制作金属层，形成平面检测电极板；z轴检测单元由两个模块组成，沿x轴以基板中心点对称分布，每个模块包括支撑梁、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；支撑梁一端连接检测电极，另一端通过锚点固定在基板上。

在上述三轴微机械陀螺仪中，支撑结构包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A和支撑梁B，其中支撑梁A两端分别连接相邻的x轴质量块和y轴质量块，支撑梁B一端与支撑梁A连接，形成T型支撑单元，另一端通过锚点固定在基板上。

在上述三轴微机械陀螺仪中，驱动电极为四个，分别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，检测电极为四个，分别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，检测活动电极连接支撑梁和解耦梁。

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，所述平面检测单元包括支撑结构、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；所述支撑结构与第一质量块相连；驱动电极与第一质量块连接；此外基板上对应第一质量块的位置制作金属层，形成平面检测电极板；z轴检测单元由两个模块和联动结构组成，其中两个模块沿x轴以基板中心点对称分布，每个模块包括支撑梁、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；支撑梁一端连接检测电极，另一端通过锚点固定在基板上；联动结构与两个模块的检测电极相连。

在上述三轴微机械陀螺仪中，检测电极为四个，分别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，检测活动电极连接支撑梁、解耦梁和联动结构。

在上述三轴微机械陀螺仪中，联动结构包括联动梁和联动支撑梁，联动梁两端分别与z轴检测单元的两个模块的检测活动电极相连，联动支撑梁一端段固置在基座上，另一端与联动梁相连。

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，并且三轴通过相同驱动实现驱动，其结构紧凑，集成度高，驱动方式简单，可大幅减小陀螺仪体积和重量，并且降低陀螺设计难度，使陀螺仪具有较广的应用范围；

（2）本发明陀螺仪各检测轴采用电容差模检测方式，提高了信号强度和信噪比，抑制了干扰信号，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和图5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和图6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7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8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和图5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，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轴或y轴方向对称分布。

如图2和图6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支撑结构3、驱动电极4和第一质量块5；其中第一质量块包括两个沿x轴分布的x轴质量块（x1、x2）和两个沿y轴分布的y轴质量块（y1、y2），且所述四个质量块以基板中心点对称分布；平面x轴检测质量块x1和x2外形相同，沿y轴以基板中心点对称分布，平面y轴检测质量块y1和y2外形相同，沿x轴以基板中心点对称分布。

支撑结构3包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A3a和支撑梁B3b，其中四个支撑梁A3a两端分别依次连接相邻的x轴质量块和y轴质量块，支撑梁B3b一端与支撑梁A3a中部连接，另一端通过锚点固定在基板1上。

驱动电极4为四个，分别沿x轴和y轴方向均有分布，并沿x轴和y轴以基板中心点对称分布。驱动电极4包括固定电极4a和可动电极4b，固定电极4a固置在基板1上，可动电极4b与第一质量块5连接。

如图2所示的，z轴检测单元由两个模块组成，沿x轴以基板（1）中心点对称分布，每个模块包括支撑梁7、解耦梁8、驱动梁9、第二质量块10和检测电极11；其中驱动梁9一端连接第一质量块5，另一端连接第二质量块10；解耦梁8分别连接第二质量块10和检测电极11；支撑梁7一端连接检测电极11另一端通过锚点固定在基板1上。

检测电极11为四个，平行于y轴在第二质量块两侧分布，分别包括检测固定电极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连接支撑梁7和解耦梁8。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。

如图6所示的，z轴检测单元由两个模块和联动结构组成，其中两个模块沿x轴以基板（1）中心点对称分布，每个模块包括支撑梁7、解耦梁8、驱动梁9、第二质量块10和检测电极11；其中驱动梁9一端连接第一质量块5，另一端连接第二质量块10；解耦梁8分别连接第二质量块10和检测电极11；支撑梁7一端连接检测电极11另一端通过锚点固定在基板1上；联动结构两端分别与两个模块的检测电极11相连。

检测电极11为四个，平行于y轴在第二质量块两侧分布，分别包括检测固定电极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连接支撑梁7、解耦梁8和联动结构。

联动结构包括联动梁12和联动支撑梁13，联动梁12两端分别与z轴检测单元的两个模块的检测活动电极相连，联动支撑梁一段固置在基座1上，另一端与联动梁（12）相连。

此外基板1上对应第一质量块5的位置制作金属层，形成平面检测电极板6，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。

本发明单结构微机械三轴陀螺仪，其运动方式如图7和图8所示，受力驱动时， 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轴检测质量块10与相连接的平面检测单元的质量块5一起运动。假设驱动运动速度为v，陀螺转动角速度为w，根据陀螺仪工作原理，在x、y和z轴方向上质量块哥氏加速度：x轴：

y轴：

z轴：

x轴和y轴检测质量块所受哥氏加速度沿z轴方向，且同一轴向两质量块所受哥氏力方向相反，因此做差模运动；z轴检测质量块所受哥氏加速度沿y轴方向，沿y轴运动；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10在y轴的运动而产生相应的变化。

联动结构限制了z轴检测单元两个模块的共模振动模态，有利于提高z轴检测性能。

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轴检测结构各有两个，分别在y轴x轴上对称分布，z轴结构有两个，与y轴检测结构相连，且在x轴上对称分布。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

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支撑结构（3）、驱动电极（4）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，所述支撑结构（3）与第一质量块（5）相连，所述驱动电极（4）与第一质量块（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，形成平面检测电极板（6）；所述z轴检测单元由两个模块组成，沿x轴以基板（1）中心点对称分布，每个模块包括支撑梁（7）、解耦梁（8）、驱动梁（9）、第二质量块（10）和检测电极（11），其中驱动梁（9）一端连接第一质量块（5），另一端连接第二质量块（10），解耦梁（8）分别连接第二质量块（10）和检测电极（11），支撑梁（7）一端连接检测电极（11），另一端通过锚点固定在基板（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：所述支撑结构（3）包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A（3a）和支撑梁B（3b），其中支撑梁A（3a）两端分别连接相邻的x轴质量块和y轴质量块，支撑梁B（3b）一端与支撑梁A（3a）中部连接，另一端通过锚点固定在基板（1）上。

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：所述驱动电极（4）为四个，分别包括固定电极（4a）和可动电极（4b），固定电极（4a）固置在基板（1）上，可动电极（4b）与第一质量块（5）连接。

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：所述检测电极（11）为四个，分别包括检测固定电极（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）连接支撑梁（7）和解耦梁（8）。

5.一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支撑结构（3）、驱动电极（4）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，所述支撑结构（3）与第一质量块（5）相连，所述驱动电极（4）与第一质量块（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，形成平面检测电极板（6）；所述z轴检测单元由两个检测模块和联动结构组成，其中两个检测模块沿x轴以基板（1）中心点对称分布，每个模块包括支撑梁（7）、解耦梁（8）、驱动梁（9）、第二质量块（10）和检测电极（11），其中驱动梁（9）一端连接第一质量块（5），另一端连接第二质量块（10），解耦梁（8）分别连接第二质量块（10）和检测电极（11），支撑梁（7）一端连接检测电极（11），另一端通过锚点固定在基板（1）上，联动结构与两个模块的检测电极（11）相连。

6.根据权利要求5所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述支撑结构（3）包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A（3a）和支撑梁B（3b），其中支撑梁A（3a）两端分别连接相邻的x轴质量块和y轴质量块，支撑梁B（3b）一端与支撑梁A（3a）中部连接，另一端通过锚点固定在基板（1）上。

7.根据权利要求5所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极（4）为四个，分别包括固定电极（4a）和可动电极（4b），固定电极（4a）固置在基板（1）上，可动电极（4b）与第一质量块（5）连接。

8.根据权利要求5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）为四个，分别包括检测固定电极（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）连接支撑梁（7）、解耦梁（8）和联动结构。

9.根据权利要求5所述的一种三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述联动结构包括联动梁（12）和联动支撑梁（13），联动梁（12）两端分别与z轴检测单元的两个模块的检测活动电极（11a）相连，联动支撑梁一段固置在基座（1）上，另一端与联动梁（12）相连。