CN103528577A - 一种z轴mems电容式陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Z轴MEMS电容式陀螺仪，包括母质量块，子质量块，驱动电容组，检测电容组，敏感电容组，基底，中央耦合结构，杠杆，锚点以及弹性梁，驱动、检测电容组的固定梳齿固定在基底上，可动梳齿与母质量块连接；敏感电容组的固定梳齿固定在基底上，可动梳齿通过弹性梁分别与子质量块和杠杆连接；母质量块通过弹性梁连接至锚点，子质量块通过弹性梁与中央耦合结构相连；中央耦合结构通过弹性梁与杠杆相连；杠杆通过弹性梁固定在锚点上。本发明涉及的Z轴MEMS电容式陀螺仪具有体积小，低成本，高精度，抗震性好，集成性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪，尤其涉及一种Z轴MEMS电容式陀螺仪。
背景技术
MEMS（MEMS–Micro Electro-Mechanical System微机电系统）陀螺仪具有体积小、成本低、集成性好的优势，因此得到越来越广泛的应用，如应用在移动终端、相机防抖、游戏手柄、玩具飞机、导航等产品中。MEMS陀螺仪基于哥氏力来实现角速度信号的检测，具有驱动和敏感两大部分。其中，驱动回路使质量块以一定的频率实现简谐振动，当与质量块运动方向垂直的方向上有角速度输入时，哥氏力会在与质量块运动方向和输入角速度方向垂直的方向产生，从而带动敏感端产生敏感信号，通过该敏感信号来检测输入的角速度。
现有技术中检测角速度的方案有：
（1）传统光纤陀螺仪，该方案的缺点是相对于MEMS陀螺仪而言，传统光纤陀螺仪体积大，成本高，不适用于消费电子。
（2）MEMS压电陀螺仪，该方案的缺点是灵敏度相对电容式陀螺仪较低，加工工艺/材料成本较高，常见的使用PZT（锆钛酸铅）作为压电材料，此类压电陶瓷加工技术门槛较高，主要由日本掌握。
（3）现有的MEMS电容式陀螺仪，常规方案的缺点是结构较复杂，抗震性差，驱动/敏感模态之间存在耦合导致信号互相干扰。
发明内容
本发明的目的是提出一种Z轴MEMS电容式陀螺仪，以解决现有技术中陀螺仪存在的问题，本发明所涉及的陀螺仪具有体积小，低成本，高精度，抗震性好，集成性好的特点，特别适合用在如移动终端、相机防抖、游戏手柄、玩具飞机、导航等产品中。
为了实现上述目的，本发明提出了一种Z轴MEMS电容式陀螺仪，包括基底，一对母质量块，至少一对驱动电容组，至少一对敏感电容组，中央耦合结构，一对杠杆以及锚点，其中所述每个母质量块包括两个子质量块；
所述母质量块通过弹性梁在与该母质量块相对应的锚点处连接于基底；
所述至少一对驱动电容组，用于形成驱动电极，接收外围电路提供的驱动信号，使所述该对母质量块沿同一轴向做相反方向的运动；
所述中央耦合结构，通过弹性梁耦接于两母质量块之间，用于保证所述两母质量块以相同的频率沿同一轴向做相反方向的运动；
所述杠杆，分别耦接于中央耦合结构和敏感电容之间，并通过弹性梁在与该杠杆相对应的锚点处连接于基底；
所述杠杆、中央耦合结构和母质量块被配置为，在无施加垂直于所述母质量块运动方向的角速度时，保持所述敏感电容组的可动梳齿不动，从而不提供用于测定外加角速度值的敏感信号；在施加垂直于所述母质量块运动方向的角速度时，限制连接于所述敏感电容组的可动梳齿的子质量块的同向运动，从而避免了可能存在的线性加速度对测量结果的干扰，提供用于测定外加角速度值的高精度的敏感信号。
本发明的该方案的有益效果在于通过上述设计得到的陀螺仪具有体积小，低成本，抗震性好，集成性好的特点。
优选的是，所述中央耦合结构，形成于基底上，包括两对端点，其一对端点分别连接至与该端点相对应的杠杆；
所述该对母质量块的一侧锚接至与其相对应的锚点，另一侧连接至中央耦合结构的另一对端点上，所述每个母质量块中的两个子质量块相连接，所述该对母质量块与其相对应的锚点之间还设置了所述至少一对驱动电容组；
所述至少一对驱动电容组包括固定梳齿和可动梳齿，其中固定梳齿固定在所述基底上，其可动梳齿分别连接至与之对应的母质量块靠近锚点的侧壁，所述每个驱动电容组的固定梳齿作为驱动电极接收外围电路提供的驱动信号；
所述该对杠杆，分别锚接至与其相对应的锚点，并且分别连接至与之相对应的所述至少一对敏感电容组的可动梳齿；
所述至少一对敏感电容组包括固定梳齿和可动梳齿，其中固定梳齿固定在所述基底上，其可动梳齿还分别连接至与之对应的子质量块，所述敏感电容组的固定梳齿作为敏感电极提供用于测定外加角速度值的敏感信号。
优选的是，所述陀螺仪的结构完全对称。
优选的是，所述陀螺仪还包括至少一对检测电容组，所述检测电容组包括固定梳齿和可动梳齿，其中固定梳齿固定在所述基底上，其可动梳齿分别连接至与之对应的母质量块靠近锚点的侧壁，所述检测电容组的固定梳齿作为检测电极将检测电容组的电容变化信号反馈给驱动电极。
优选的是，所述电容组包括两对敏感电容组，所述两对敏感电容组对称设置，在所述敏感电容组的固定梳齿中，处于对角线位置的固定梳齿相连接形成一对敏感电极。
优选的是，所述中央耦合结构与所述母质量块、所述杠杆之间，所述母质量块与所述锚点之间，所述母质量块中的两个子质量块之间，所述敏感电容组与所述子质量块、所述杠杆之间，所述杠杆与所述锚点之间，分别通过弹性梁连接。
优选的是，所述母质量块和与之对应的锚点之间的弹性梁设计为在y轴方向具有较大刚度；所述母质量块与所述中央耦合结构之间的弹性梁设计为在x轴方向具有较大刚度；所述母质量块中的两个子质量块之间的弹性梁设计为在x轴方向具有较大刚度；所述子质量块和与之对应的敏感电容组之间的弹性梁设计为在y轴方向具有较大刚度；所述中央耦合结构和所述杠杆之间的弹性梁设计为在x轴方向具有较大刚度，所述杠杆和与之对应的锚点之间的弹性梁设计为在y轴方向具有较大刚度。
优选的是，所述中央耦合结构是中央菱形耦合结构。
优选的是，所述中央菱形耦合结构与母质量块相连的一对端点在y轴方向设计为刚度较大。
优选的是，所述锚点设置于电容式陀螺仪的四周。
附图说明
图1示出了本发明所涉及的陀螺仪的结构图。
图2示出了驱动模态下本发明所涉及的陀螺仪的局部视图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，依照本发明的具体实施方式的电容式陀螺仪包括基底D，一对驱动电容组C11和C12，一对检测电容组C21和C22，两对敏感电容组C31，C32，C33和C34，两个母质量块M1和M2，中央菱形耦合结构A，杠杆B1和B2，分布于整个结构四周的锚点1-6，以及起到连接作用的弹性梁。其中第一母质量块M1包括第一子质量块m11和第三子质量m21；第二母质量块M2包括第二子质量块m12和第四子质量块m22，并且第一子质量块m11和第二子质量块m12完全一样，第三子质量m21和第四子质量块m22完全一样。
定义以中央菱形耦合结构A的中心点为原点的笛卡尔坐标系的x轴的正向指向右侧，y轴的正向指向上侧，z轴的正向指向x，y平面的外侧。本发明所涉及的陀螺仪的结构沿x轴和y轴完全对称。
所述驱动电容组C11和C12分别设置在第一母质量块M1和第二母质量块M2的左侧和右侧，其中所述驱动电容组C11和C12的固定梳齿固定在基底D上，所述驱动电容组C11和C12的可动梳齿分别与第一母质量块M1和第二母质量块M2的左侧壁、右侧壁相连，所述驱动电容组C11和C12的固定梳齿作为驱动电极接收外围电路提供的驱动信号。
所述检测电容组C21和C22分别设置在第一母质量块M1和第二母质量块M2的左侧和右侧，并且所述检测电容组C21和C22分别设置在所述驱动电容组C11和C12的左侧和右侧，所述检测电容组C21和C22的固定梳齿固定在基底D上，所述检测电容组C21和C22的可动梳齿分别与第一母质量块M1和第二母质量块M2的左侧壁、右侧壁相连，所述检测电容组C21和C22的固定梳齿作为检测电极，将母质量块由于驱动电容组的静电力作用产生的位移，进而导致的检测电容的变化信号反馈给驱动电极，形成闭环控制以调节驱动信号，进而调节驱动电容组的振动幅度。
所述第一和第二敏感电容组C31，C32设置在母质量块M1和M2的上侧，第三和第四敏感电容组C33，C34设置在母质量块M1和M2的下侧，所述第一至第四敏感电容组C31，C32，C33，C34的固定梳齿固定在所述基底D上，第一敏感电容组C31的可动梳齿通过第四弹性梁b4与第三子质量块m21连接，由于陀螺仪结构的对称性，第四敏感电容组C34的可动梳齿通过相应的弹性梁连接至第三子质量块m21，第二和第三敏感电容组C32、C33的可动梳齿通过相应的弹性梁与第四子质量块m22连接；第一敏感电容组C31的可动梳齿还通过第五弹性梁b5与第一杠杆B1相连，由于陀螺仪结构的对称性，第二敏感电容组C32的可动梳齿通过相应的弹性梁连接至第一杠杆B1，第三和第四敏感电容组C33、C34的可动梳齿通过相应的弹性梁与第二杠杆B2相连，第一、第三敏感电容组C31、C33的固定梳齿连接在一起构成一个敏感电极，第二、第四敏感电容组C32，C34的固定梳齿连接在一起构成另一个敏感电极，通过一对敏感电极提供用于测定外加角速度值的敏感信号。
第一母质量块M1的左侧壁的一端通过第一弹性梁b1与第一锚点1连接，由于陀螺仪结构的对称性，其另一端通过相应的弹性梁连接至第二锚点2，第二母质量块M2的右侧壁的两端分别通过相应的弹性梁连接至对应的第四锚点4和第三锚点3；第一子质量块m11的一端通过第三弹性梁b3连接至第三子质量块m21，由于陀螺仪结构的对称性，其另一端通过相应的弹性梁连接至第三子质量块m21，第三子质量块m21的一端通过第二弹性梁b2与中央菱形耦合结构A的左端点连接，其中所述中央菱形耦合结构A形成于基底D上，由于陀螺仪结构的对称性，其另一端通过相应的弹性梁连接至中央菱形耦合结构A的左端点；由于陀螺仪结构的对称性，第二子质量块m12通过相应的弹性梁连接至第四子质量块m22，第四子质量块m22通过相应的弹性梁连接至中央菱形耦合结构A的右端点；中央菱形耦合结构A的上端点通过第五弹性梁b5连接至第一杠杆B1，第一杠杆B1通过第六弹性梁b6锚接至第五锚点5，由于陀螺仪结构的对称性，中央菱形耦合结构A的下端点通过相应的弹性梁连接至第二杠杆B2，第二杠杆B2通过相应的弹性梁锚接至第六锚点6。
上述的弹性梁中，第一弹性梁b1设计为在y轴方向具有较大刚度；第二弹性梁b2设计为在x轴方向具有较大刚度；第三弹性梁b3设计为在x轴方向具有较大刚度；第四弹性梁b4设计为在y轴方向具有较大刚度；第五弹性梁b5设计为在x轴方向具有较大刚度，第六弹性梁b6设计为在y轴方向具有较大刚度。
根据电容谐振式陀螺仪的工作原理可知，其至少存在两个模态：驱动模态和敏感模态：
驱动模态为第一母质量块M1和第二母质量块M2同时沿x轴做相反方向的运动。其原理为：驱动电极和母质量块之间电极板间距不对称，因此会形成电容，当给驱动电极施加交流电，母质量块施加10V直流电，并且当交流电为正时，驱动电极与母质量块之间产生斥力，当交流为负时，驱动电极和母质量块之间产生引力。因此当在驱动电极上施加交流电，在母质量块上施加直流电时，以及通过上述第一弹性梁b1的设计，会导致第一母质量块M1和第二母质量块M2沿x轴做相反方向运动，进而带动驱动电容组C11、检测电容组C21、第一子质量块m11、第三子质量块m21以及驱动电容组C12、检测电容组C22、第二子质量块m12、第四子质量块m22沿x轴做相反方向运动；由于第三子质量块m21和第四子质量块m22连接于中央菱形耦合结构A的左，右端点，所以会带动中央菱形耦合结构A的左，右端点在x轴方向运动，由于中央菱形耦合结构A的特点，当左，右端点向接近中心方向运动时，上，下端点受迫向上，下远离中心方向运动；反之，当左，右端点向远离中心方向运动时，上，下端点受迫向下，上接近中心方向运动。此时第一至第四敏感电容组C31-C34会受到来自第三子质量块m21和第四子质量块m22的沿x轴方向的作用力，进而使得第一杠杆B1和第二杠杆B2受到来自第三子质量块m21和第四子质量块m22的沿x轴方向的作用力。
由于第一母质量块M1和第二母质量块M2在中央菱形耦合结构A的作用下趋向于沿x轴做相反方向的运动，因此第一杠杆B1和第二杠杆B2同时受到方向相反，大小相同的力，该力在x轴上的分力大小相同，方向相反，互相抵消，第一杠杆B1和第二杠杆B2在x轴方向不会发生位移，因此连接于第一杠杆B1和第二杠杆B2两侧的敏感电容组的可动梳齿也不会发生位移，所以驱动模态下第一至第四敏感电容组C31-C34的电容不变。由于第五弹性梁b5的设计，使得中央菱形耦合结构A的上，下端点容易发生沿y轴的运动。第一杠杆B1和第二杠杆B2的中央受到来自中央菱形耦合结构A的沿y轴方向的作用力，所述作用力的作用点同第一杠杆B1和第二杠杆B2连接第五锚点5和第六锚点6的部位相同，故第一杠杆B1和第二杠杆B2不会发生运动，如图2所示。
敏感模态为第三子质量块m21和第四子质量块m22分别沿y轴做相反方向的运动，带动第一敏感电容组C31，第四敏感电容组C34与第二敏感电容组C32，第三敏感电容组C33分别沿y轴做相反方向的运动，进而带动第一杠杆B1和第二杠杆B2以各自中央为支点做同向扭转运动。其原理为：由于弹性梁的设计，第三子质量块m21和第四子质量块m22容易沿y轴方向运动，进而带动敏感电容组的可动梳齿随其一起沿y轴方向运动，使得第一至第四敏感电容组C31-C34的电容发生变化。此时由于第一杠杆B1和第二杠杆B2的中部通过第五锚点5和第六锚点6的支撑，故限制了第三子质量块m21和第四子质量块m22沿y轴的同向运动，并且由于杠杆效应，第三子质量块m21和第四子质量块m22更易沿y轴做相反方向的运动。此时，由于第一母质量块M1和第二母质量块M2通过相应弹性梁与相应锚点连接，限制了第一子质量块m11和第二子质量块m12在y轴方向的运动，所以与第一子质量块m11和第二子质量块m12连接的驱动电容组C11和C12，检测电容组C21和C22的电容值不发生变化。此时，中央菱形耦合结构A的左右端点受到来自第三子质量块m21和第四子质量块m22的沿y轴方向的作用力，但由于所述中央菱形耦合结构A的左右端点在y轴方向设计为刚度较大，故中央菱形耦合结构A此时不发生形变和位移。
在实际的工作过程中，本发明所涉及的陀螺仪工作在驱动模态时，第一母质量块M1和第二母质量块M2沿x轴做相反方向的震动，当受到沿z轴旋转的角速度时，会产生沿y轴方向的哥氏力，导致第三子质量块m21和第四子质量块m22分别沿y轴做相反方向的运动，进而带动第一至第四敏感电容组C31-C34的电容值发生变化，如同上面所述的敏感模态，进而可以通过检测上述第一至第四敏感电容组C31-C34的电容值的变化来标定受到的z轴角速度。
本发明所涉及的电容式陀螺仪的有益效果有：
（1）基于MEMS微加工工艺的陀螺仪，体积小，平均成本低；
（2）所述各电容组沿x轴，y轴对称，可以通过差动电路来减少加工缺陷，震动，噪声等造成的影响；
（3）中央菱形耦合结构A限制了第一母质量块M1和第二母质量块M2在x轴方向的同向运动，陀螺仪不易受到干扰频率影响，同时增加了x轴方向的抗震能力。（这里的“震”指的是来自外界的冲击）；
（4）杠杆结构，限制了第三子质量块m21和第四子质量块m22沿y轴方向的同向运动，陀螺仪不易受到干扰频率影响，同时增加了y轴方向的抗震能力。
Claims (10)
1.一种Z轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：包括基底，一对母质量块，至少一对驱动电容组，至少一对敏感电容组，中央耦合结构，一对杠杆以及锚点，其中所述每个母质量块包括两个子质量块；
所述母质量块通过弹性梁在与该母质量块相对应的锚点处连接于基底；
所述至少一对驱动电容组，用于形成驱动电极，接收外围电路提供的驱动信号，使所述该对母质量块沿同一轴向做相反方向的运动；
所述中央耦合结构，通过弹性梁耦接于两母质量块之间，用于保证所述两母质量块以相同的频率沿同一轴向做相反方向的运动；
所述杠杆，分别耦接于中央耦合结构和敏感电容之间，并通过弹性梁在与该杠杆相对应的锚点处连接于基底；
所述杠杆、中央耦合结构和母质量块被配置为，在无施加垂直于所述母质量块运动方向的角速度时，保持所述敏感电容组的可动梳齿不动，从而不提供用于测定外加角速度值的敏感信号；在施加垂直于所述母质量块运动方向的角速度时，限制连接于所述敏感电容组的可动梳齿的子质量块的同向运动，从而提供用于测定外加角速度值的敏感信号。
2.根据权利要求1所述的Z轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：
所述中央耦合结构，形成于基底上，包括两对端点，其一对端点分别连接至与该端点相对应的杠杆；
所述该对母质量块的一侧锚接至与其相对应的锚点，另一侧连接至中央耦合结构的另一对端点上，所述每个母质量块中的两个子质量块相连接，所述该对母质量块与其相对应的锚点之间还设置了所述至少一对驱动电容组；
所述至少一对驱动电容组包括固定梳齿和可动梳齿，其中固定梳齿固定在所述基底上，其可动梳齿分别连接至与之对应的母质量块靠近锚点的侧壁，所述每个驱动电容组的固定梳齿作为驱动电极接收外围电路提供的驱动信号；
所述该对杠杆，分别锚接至与其相对应的锚点，并且分别连接至与之相对应的所述至少一对敏感电容组的可动梳齿；
所述至少一对敏感电容组包括固定梳齿和可动梳齿，其中固定梳齿固定在所述基底上，其可动梳齿还分别连接至与之对应的子质量块，所述敏感电容组的固定梳齿作为敏感电极提供用于测定外加角速度值的敏感信号。
3.根据权利要求1或2所述的Z轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述陀螺仪的结构完全对称。
4.根据权利要求1或2所述的Z轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述陀螺仪还包括至少一对检测电容组，所述检测电容组包括固定梳齿和可动梳齿，其中固定梳齿固定在所述基底上，其可动梳齿分别连接至与之对应的母质量块靠近锚点的侧壁，所述检测电容组的固定梳齿作为检测电极将检测电容组的电容变化信号反馈给驱动电极。
5.根据权利要求1或2所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述电容组包括两对敏感电容组，所述两对敏感电容组对称设置，在所述敏感电容组的固定梳齿中，处于对角线位置的固定梳齿相连接形成一对敏感电极。
6.根据权利要求1所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述中央耦合结构与所述母质量块、所述杠杆之间，所述母质量块与所述锚点之间，所述母质量块中的两个子质量块之间，所述敏感电容组与所述子质量块、所述杠杆之间，所述杠杆与所述锚点之间，分别通过弹性梁连接。
7.根据权利要求6所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述母质量块和与之对应的锚点之间的弹性梁设计为在y轴方向具有较大刚度；所述母质量块与所述中央耦合结构之间的弹性梁设计为在x轴方向具有较大刚度；所述母质量块中的两个子质量块之间的弹性梁设计为在x轴方向具有较大刚度；所述子质量块和与之对应的敏感电容组之间的弹性梁设计为在y轴方向具有较大刚度；所述中央耦合结构和所述杠杆之间的弹性梁设计为在x轴方向具有较大刚度，所述杠杆和与之对应的锚点之间的弹性梁设计为在y轴方向具有较大刚度。
8.根据权利要求1所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述中央耦合结构是中央菱形耦合结构。
9.根据权利要求8所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述中央菱形耦合结构与母质量块相连的一对端点在y轴方向设计为刚度较大。
10.根据权利要求1或2所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述锚点设置于电容式陀螺仪的四周。
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