CN103575263A - 四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底、驱动结构、四个质量块、检测结构以及弹性连接结构；驱动结构包括四组驱动框架和电极组，质量块悬浮于衬底之上，也呈上下左右对称分布；检测结构包括检测框架和多个检测梳齿电极组，检测框架为全对称的圆形结构,检测梳齿电极组沿检测框架均匀分布；L型折叠梁与驱动框架和衬底连接，第一U型折叠梁悬浮于衬底之上，与驱动框架和质量块连接；第二U型折叠梁悬浮于衬底之上，与质量块和检测框架连接，叉指型折叠梁与检测框架和底连接，U型脐带梁用于连接相邻的两组驱动框架。本发明的驱动框架和检测框架相互独立，实现了全解耦，径向的缩张的驱动模式，保证了整个结构的协调性。

Description

四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，属于微机电系统（MEMS）技术领域。

背景技术

微机械陀螺仪是利用科氏力来测量物体转动角速度的一类惯性传感器。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。

微机械陀螺仪有两个工作模态：驱动模态和检测模态，两个模态之间的机械耦合是微机械陀螺仪的一个重要误差源。想要获得高性能的微机械陀螺仪，就必须要对两个工作模态进行解耦。解耦分为一级解耦和二级解耦（全解耦）。一级解耦结构驱动（或检测）部分的运动是独立的，而检测（或驱动）部分的运动会受到影响。全解耦是驱动与检测运动完全独立，不互相影响。从目前国际上陀螺研究进展来看，几乎所有高性能陀螺仪均具备解耦结构，但大部分是单质量或者双质量的解耦，其检测模态的运动或多或少的依然会受到驱动模态的影响从而引起正交误差，从而限制器件性能。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何简单有效的解决微机械陀螺驱动模态和检测模态之间的机械耦合，以实现一种高性能的电容式微机械陀螺仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种电容式微机械陀螺仪，实现微机械陀螺仪在驱动模态和检测模态之间的机械解耦，以实现高性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底、驱动结构、四个质量块、检测结构以及弹性连接结构；

所述驱动结构包括四组驱动框架，以及分别与所述四组驱动框架相匹配的四组驱动梳齿电极组和四组驱动反馈梳齿电极组，所述四组驱动框架分别位于正交的X轴和Y轴的轴线上，呈上下左右对称分布；所述驱动梳齿电极组包括相对设置的第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述驱动反馈梳齿电极组包括相对设置的第二活动梳齿电极和第二固定梳齿电极；所述第一、第二固定梳齿电极分别固定于所述衬底上，所述第一、第二活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架上；所述质量块为四个，悬浮于所述衬底之上，分别位于所述X轴和Y轴轴线上，也呈上下左右对称分布；所述检测结构包括检测框架和多个检测梳齿电极组，检测框架为全对称的圆形结构，所述圆形结构的圆心为所述X轴和Y轴的相交点，所述检测梳齿电极组沿所述检测框架均匀分布，每个所述检测梳齿电极组分别包括第三活动梳齿电极和第三固定梳齿电极，所述第三活动梳齿电极连接在所述检测框架上，所述第三固定梳齿电极固定于所述衬底上；所述弹性连接结构包括四组L型折叠梁，四组第一U型折叠梁、两组第二U型折叠梁、四组叉指型折叠梁和四组U型脐带梁；所述四组L型折叠梁均分布在所述驱动框架的外侧，其一端与所述驱动框架连接，另一端通过锚点固定于衬底之上；所述四组第一U型折叠梁分布于所述驱动框架内侧和所述质量块的左右外侧，悬浮于所述衬底之上，其一端连接于所述驱动框架内侧，另一端连接于所述质量块的外侧；所述两组第二U型折叠梁分布于所述质量块的上端的外侧，并位于所述检测框架的内侧，悬浮于所述衬底之上，其一端连接于所述质量块上端的外侧，另一端连接于所述检测框架的内侧；四组所述叉指型折叠梁，分布于所述检测框架外侧，并以所述圆心为中心而对称设置；每个所述叉指型折叠梁的一端连接于所述检测框架的外侧，另一端通过锚点固定于所述衬底上；四组所述U型脐带梁分别用于连接相邻的两组所述驱动框架。

作为优选，所述多个检测梳齿电极组按照所述X轴和Y轴的四个象限分为四部分；其中，第一象限和第三象限内的多个所述检测梳齿电极组相并联组成第一大组检测电容；所述第二象限和第四象限内的多个所述检测梳齿电极组相并联组成第二大组检测电容。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1.本发明的陀螺仪的驱动框架和检测框架由相互独立的弹性梁约束，其运动只与质量块关联，它们之间的运动是相互独立的，即本发明具有全解耦结构，能够很好的抑制驱动模态和检测模态之间的机械耦合，从而抑制寄生效应，有效降低漂移。

2.本发明采用径向收缩—扩张的心跳型单一驱动模式，可以保证整个结构驱动模态运动的协调一致性；质量块在检测时朝同一方向运动，可以保证整个结构检测模态运动的协调一致性。

3.检测输出采用差模输出，提高检测灵敏度，并可以抑制共模干扰信号对检测的影响，提高陀螺的检测精度。

附图说明

图1是本发明的陀螺仪的立体图；

图2是图1的主视图；

图3是图1所示的本发明的陀螺仪中的驱动结构和质量块立体图

图4图3的所示的驱动结构和质量块主视图；

图5是图1所示的本发明的陀螺仪中的检测结构的立体图；

图6是图5所示的检测结构的主视图；

图7是本发明的陀螺仪的原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施方式。

图1是本发明的陀螺仪的立体图；图2是图1的主视图；图3是图1所示的本发明的陀螺仪中的驱动结构和质量块立体图；图4图3的所示的驱动结构和质量块的主视图；图5是图1所示的本发明的陀螺仪中的检测结构的立体图；图6是图5所示的检测结构的主视图；

如图1-图6所示，本发明的一个实施例的四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底10、、四个质量块21、驱动结构、检测结构以及弹性连接结构；所述驱动结构包括四组驱动框架20，以及分别与所述四组驱动框架20相匹配的四组驱动梳齿电极组25和四组驱动反馈梳齿电极组26，所述四组驱动框架20分别位于正交的X轴和Y轴的轴线上，呈上下左右对称分布；所述驱动梳齿电极组25包括相对设置的第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述驱动反馈梳齿电极组26包括相对设置的第二活动梳齿电极和第二固定梳齿电极；所述第一、第二固定梳齿电极分别固定于所述衬底10上，所述第一、第二活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架20上；所述质量块21为四个，悬浮于所述衬底之上，分别位于所述X轴和Y轴轴线上，也呈上下左右对称分布；所述检测结构包括检测框架22和多个检测梳齿电极组，检测框架22为全对称的圆形结构，所述圆形结构的圆心为所述X轴和Y轴的相交点，所述检测梳齿电极组24沿所述检测框架22均匀分布，每个所述检测梳齿电极组24分别包括第三活动梳齿电极和第三固定梳齿电极，所述第三活动梳齿电极连接在所述检测框架22上，所述第三固定梳齿电极固定于所述衬底10上；所述弹性连接结构包括四组L型折叠梁31，四组第一U型折叠梁33、两组第二U型折叠梁34、四组叉指型折叠梁51和四组U型脐带梁35；所述四组L型折叠梁31均分布在所述驱动框架22的外侧，其一端与所述驱动框架22连接，另一端通过锚点固定于衬底10之上；所述四组第一U型折叠梁33分布于所述驱动框架20内侧和所述质量块21的左右外侧，悬浮于所述衬底10之上，其一端连接于所述驱动框架20内侧，另一端连接于所述质量块21的外侧；所述两组第二U型折叠梁34分布于所述质量块21的上端的外侧，并位于所述检测框架22的内侧，悬浮于所述衬底10之上，其一端连接于所述质量块21上端的外侧，另一端连接于所述检测框架22的内侧；四组所述叉指型折叠梁，分布于所述检测框架22外侧，并以所述圆心为中心而对称设置；每个所述叉指型折叠梁51的一端连接于所述检测框架22的外侧，另一端通过锚点固定于所述衬底10上；四组所述U型脐带梁35分别用于连接相邻的两组所述驱动框架22，可实现四个驱动框架22的同步收缩或者扩张。需要指出的是，所述X轴和Y轴的原点即是图中圆形的检测框架22的圆心，图2中为清晰起见，把X轴和Y轴的方向标在图形的右下方。

作为优选，本实施例中，所述多个检测梳齿电极组25按照所述X轴和Y轴的四个象限分为四部分；其中，第一象限和第三象限内的多个所述检测梳齿电极组24相并联组成第一大组检测电容；所述第二象限和第四象限内的多个所述检测梳齿电极组24相并联组成第二大组检测电容。第一大组检测电容的多个所述检测梳齿电极组24分别并联或串联输出，第二大组检测电容的多个所述检测梳齿电极组24也分别并联或串联输出，由电路进行处理，形成差分电容输出。

本发明的四质量块全解耦单结构三轴微机械陀螺仪为全解耦结构，其解耦原理如下：驱动框架22由于受到L型折叠梁31的约束在沿X轴和Y轴驱动方向上自由度较大，在其他方向上自由度很小。质量块21由于受到第二U型折叠梁34的约束，在沿X轴和Y轴驱动方向上与驱动框架22的自由度保持一致。检测框架24由于受到叉指型折叠梁51的约束，在沿X轴和Y轴驱动方向刚度很大，自由度很小，因此当驱动框架22和质量块21在X轴和Y轴驱动方向上运动时，检测框架22在此方向上几乎没有运动。因此本发明的陀螺仪处于驱动模态时，驱动框架22和质量块21在X轴和Y轴驱动方向上做简谐运动，而检测框架24保持不动。同样原理，检测框架24由于受到叉指型折叠梁51的约束，在绕Z轴旋转方向上刚度较小，而驱动框架22由于受到L型折叠梁31的约束，绕Z轴旋转方向的刚度很大，因此本发明的陀螺仪处于检测模态时，检测框架24绕Z轴旋转，而驱动框架22保持不动。

本发明的陀螺仪，采用从中心向外部扩张收缩的类似于心跳的驱动模式，这样各轴的驱动方式是线振动。图7是该陀螺仪的原理示意图。系统在驱动框架22作用下以一定的频率进行驱动，各质量块21整体上呈心跳型的运动，连接驱动框架22的U型脐带梁5的变形保证了各轴质量块21运动的一致性，这样各轴的质量块21的即时速度为V。当系统受到绕Z轴的角速度时,对应的质量块21受到的科式力为：                                                

,连接质量块21和驱动框架22的第一U型折叠梁33会发生相应的变形，导致质量块21会沿着驱动正交的方向运动，通过连接质量块21和检测框架22的第二U型折叠梁34带动检测框架22一起运动，连接检测框架22的叉指型折叠梁51发生形变，导致检测框架22绕Z轴旋转。检测框架22转动时候，检测梳齿电极组所构成的检测电容的两极之间的距离变化，其电容值发生变化，检测梳齿电极组所构成的检测电容按照四个象限分为四个部分，分别为第一、第二、第三和第四象限。当检测框架22绕Z轴旋转时，所述检测电容分组，第一和第三象限内的检测电容组成第一大组检测电容；第二和第四两组的检测电容组成第二大组检测电容，共组成两大组检测电容，其中一大组电容增大，另外一大组电容减小，形成差分电容输出，通过检测电路处理即可获得Z轴输入角速度的信息。本实施例中，第一大组内的检测电容为并联结构，第二大组内的检测电容也为并联结构。

所述驱动框架和质量块由于受到L型折叠梁和上端的第二U型折叠的约束，只在驱动方向上有自由度；所述检测框架由于受到叉指型折叠梁的约束，在驱动方向上不具有自由度，因此本发明的陀螺仪在驱动框架和质量块在驱动方向上运动时，检测框架不会有位移。同样，由于所述检测框架和质量块受到叉指型折叠梁和两侧的第一U型折叠梁的约束，在以中心为轴的旋转方向上具有较高的自由度，但在驱动方向上不具有自由度，而所述驱动框架由于受到L型折叠梁的约束在绕中心为轴的旋转方向上不具有自由度，因此本发明的陀螺仪的检测电容在检测框架在绕中心为轴旋转时驱动框架不会有位移。也就是说本发明的驱动部分和检测部分的运动只各自与质量块关联，它们之间的运动是相互独立的，从而实现的驱动部分对检测部分，以及检测部分对驱动部分的全解耦。

 

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，其特征在于，包括衬底、驱动结构、四个质量块、检测结构以及弹性连接结构；

所述驱动结构包括四组驱动框架，以及分别与所述四组驱动框架相匹配的四组驱动梳齿电极组和四组驱动反馈梳齿电极组，所述四组驱动框架分别位于正交的X轴和Y轴的轴线上，呈上下左右对称分布；所述驱动梳齿电极组包括相对设置的第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述驱动反馈梳齿电极组包括相对设置的第二活动梳齿电极和第二固定梳齿电极；

所述第一、第二固定梳齿电极分别固定于所述衬底上，所述第一、第二活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架上；

所述质量块悬浮于所述衬底之上，分别位于所述X轴和Y轴轴线上，也呈上下左右对称分布；

所述检测结构包括检测框架和多个检测梳齿电极组，检测框架为全对称的圆形结构，所述圆形结构的圆心为所述X轴和Y轴的相交点，

所述检测梳齿电极组沿所述检测框架均匀分布，每个所述检测梳齿电极组分别包括第三活动梳齿电极和第三固定梳齿电极，所述第三活动梳齿电极连接在所述检测框架上，所述第三固定梳齿电极固定于所述衬底上；

所述弹性连接结构包括四组L型折叠梁，四组第一U型折叠梁、两组第二U型折叠梁、四组叉指型折叠梁和四组U型脐带梁；所述四组L型折叠梁均分布在所述驱动框架的外侧，其一端与所述驱动框架连接，另一端通过锚点固定于衬底之上；

所述四组第一U型折叠梁分布于所述驱动框架内侧和所述质量块的左右外侧，悬浮于所述衬底之上，其一端连接于所述驱动框架内侧，另一端连接于所述质量块的外侧；所述两组第二U型折叠梁分布于所述质量块的上端的外侧，并位于所述检测框架的内侧，悬浮于所述衬底之上，其一端连接于所述质量块上端的外侧，另一端连接于所述检测框架的内侧；四组所述叉指型折叠梁，分布于所述检测框架外侧，并以所述圆心为中心而对称设置；每个所述叉指型折叠梁的一端连接于所述检测框架的外侧，另一端通过锚点固定于所述衬底上；四组所述U型脐带梁分别用于连接相邻的两组所述驱动框架。

2.如权利要求所述的四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，其特征在于，所述多个检测梳齿电极组按照所述X轴和Y轴的四个象限分为四部分；其中，第一象限和第三象限内的多个所述检测梳齿电极组相并联组成第一大组检测电容；所述第二象限和第四象限内的多个所述检测梳齿电极组相并联组成第二大组检测电容。

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