CN107167123A - 一种微机电两轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机电两轴陀螺仪，驱动结构包括驱动质量块和驱动电极，驱动质量块与驱动电极构成驱动电容；驱动电容用于驱动所述驱动质量块在一特定方向上做往复振动；每个检测结构包括检测质量块和检测电极，检测质量块与检测电极构成检测电容；检测电容用于检测驱动质量块上产生的科氏力带动检测质量块绕第一轴或第二轴运动而引起的电容变化。由于驱动质量块做往复振动的方向与检测质量块运动的方向即绕第一轴和第二轴运动的方向均不同，因此，在无角速度输入即无科氏力的情况下，驱动质量块不会带动检测质量块运动，从而可以实现驱动模态下驱动结构和检测结构的机械解耦，进而可以减小陀螺仪的输出正交误差，提高陀螺仪的输出精度。

Description

一种微机电两轴陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，更具体地说，涉及一种微机电两轴陀螺仪。

背景技术

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)加工制造的MEMS陀螺仪，由于具有体积小、成本低、集成性好等诸多优点，因此，已经广泛应用在消费电子、医疗、汽车等重要领域。

现有的MEMS陀螺仪有两个工作模态：驱动模态和检测模态。在驱动模态下，驱动电容驱动质量块做往复振动，在受到外加角速度时，即在检测模态下，检测电容检测由于科氏力导致的该质量块在检测方向上的运动引起的电容变化，以根据该电容变化确定输入到MEMS陀螺仪的角速度。

但是，由于现有的MEMS陀螺仪的驱动模态和检测模态之间存在较大的耦合，即在无科氏力的情况下，驱动模态下质量块的振动能量也会耦合到检测模态的质量块上，因此，会导致MEMS陀螺仪具有较大的输出误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微机电两轴陀螺仪，以解决由于MEMS陀螺仪的驱动模态和检测模态之间存在较大的耦合，而导致输出正交误差较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微机电两轴陀螺仪，包括一个驱动结构和两个检测结构；

所述驱动结构包括至少两个驱动质量块和至少两个驱动电极，每一所述驱动质量块与一所述驱动电极构成一驱动电容；所述驱动电容用于驱动所述驱动质量块在一特定方向上做往复振动；

每个所述检测结构包括至少两个检测质量块和至少两个检测电极，每一所述检测质量块与一所述检测电极构成一检测电容；所述检测电容用于检测所述两轴陀螺仪输入的角速度在所述驱动质量块上产生的科氏力带动所述检测质量块绕第一轴或第二轴运动而引起的电容变化，所述第一轴和所述第二轴的方向与所述特定方向均不同。

优选地，所述驱动质量块之间通过第一弹性梁耦合连接；所述检测质量块之间机械耦合连接；所述驱动质量块和所述检测质量块之间通过第二弹性梁连接。

优选地，一个所述检测结构包括第一检测质量块和第二检测质量块，另一个所述检测结构包括第三检测质量块和第四检测质量块；

所述第一检测质量块和第二检测质量块沿所述第一轴对称设置；所述第三检测质量块和第四检测质量块沿所述第二轴对称设置；

所述第一轴与所述第二轴垂直。

优选地，所述驱动结构包括第一驱动质量块、第二驱动质量块、第三驱动质量块和第四驱动质量块；

所述第一驱动质量块和第二驱动质量块沿所述第一轴和所述第二轴的交点中心对称设置，所述第三驱动质量块和第四驱动质量块沿所述第一轴和所述第二轴的交点中心对称设置，且所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块沿所述第一轴或所述第二轴对称设置。

优选地，第一驱动质量块位于第一检测质量块和第三检测质量块之间；第二驱动质量块位于第二检测质量块和第四检测质量块之间；第三驱动质量块位于第二检测质量块和第三检测质量块之间；第四驱动质量块位于第一检测质量块和第四检测质量块之间。

优选地，还包括基底以及固定在所述基底上的中央锚点；所述中央锚点通过第三弹性梁与所述检测质量块连接。

优选地，所述驱动结构还包括至少两个驱动反馈电极，每一所述驱动反馈电极与一所述驱动质量块构成一驱动反馈电容；

所述驱动反馈电容用于检测所述驱动质量块往复振动产生的电容变化，并通过信号处理电路将所述电容变化反馈至所述驱动电极。

优选地，每个所述驱动质量块都包括两个镂空区域，所述驱动电极位于一个所述镂空区域，所述驱动反馈电极位于另一个所述镂空区域，且所述驱动电极和所述驱动反馈电极固定在所述基底上。

优选地，所述检测电极位于所述检测质量块和所述基底之间。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的微机电两轴陀螺仪，包括一个驱动结构和两个检测结构；驱动结构包括至少两个驱动质量块，每个所述检测结构包括至少两个检测质量块。由于驱动质量块做往复振动的方向与检测质量块运动的方向即绕第一轴和所述第二轴运动的方向均不同，因此，在无角速度输入即无科氏力的情况下，驱动质量块不会带动检测质量块运动，从而可以实现驱动模态下驱动结构和检测结构的机械解耦，进而可以减小陀螺仪的输出误差，提高陀螺仪的输出精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的两轴陀螺仪的俯视结构示意图；

图2为图1所示的两轴陀螺仪的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种两轴陀螺仪，如图1和图2所示，该两轴陀螺仪包括基底1和设置在基底1上的机械结构，该机械结构包括两个检测结构和一个驱动结构。

所述驱动结构包括至少两个驱动质量块和至少两个驱动电极，每一所述驱动质量块与一所述驱动电极构成一驱动电容；所述驱动电容用于驱动所述驱动质量块在一特定方向上做往复振动；

每个所述检测结构包括至少两个检测质量块和至少两个检测电极，每一所述检测质量块与一所述检测电极构成一检测电容；所述检测电容用于检测所述两轴陀螺仪输入的角速度在所述驱动质量块上产生的科氏力带动所述检测质量块绕第一轴或第二轴运动而引起的电容变化，所述第一轴和所述第二轴的方向与所述特定方向均不同。

其中，所述驱动质量块之间通过第一弹性梁耦合连接，所述检测质量块之间机械耦合连接，所述驱动质量块和所述检测质量块之间通过第二弹性梁连接。

此外，每个所述驱动结构还包括至少一个驱动反馈电极，每一所述驱动反馈电极与一所述驱动质量块构成一驱动反馈电容；

所述驱动反馈电容用于检测所述驱动质量块往复振动产生的电容变化，并通过信号处理电路将所述电容变化反馈至所述驱动电极。

下面以两轴陀螺仪包括每个检测结构包括两个检测质量块以及驱动结构包括四个驱动质量块为例进行说明。当然，本发明并不限于此，在其他实施例中，驱动结构可以包括两个驱动质量块或三个驱动质量块等。

如图1所示，两轴陀螺仪包括两个检测结构，一个所述检测结构包括第一检测质量块M1和第二检测质量块M2，另一种所述检测结构包括第三检测质量块M3和第四检测质量块M4；

所述第一检测质量块M1和第二检测质量块M2沿所述第一轴即X轴对称设置；所述第三检测质量块M3和第四检测质量块M4沿所述第二轴即Y轴对称设置；所述第一轴与所述第二轴垂直。

可选地，本实施例中的第一检测质量块M1、第二检测质量块M2、第三检测质量块M3和第四检测质量块M4都为条形板状结构，第一检测质量块M1、第二检测质量块M2、第三检测质量块M3和第四检测质量块M4通过各自相连的区域机械耦合连接，可选地，第一检测质量块M1、第二检测质量块M2、第三检测质量块M3和第四检测质量块M4通过各自相连的区域刚性连接，并构成十字形结构。

并且，第一检测质量块M1、第二检测质量块M2、第三检测质量块M3和第四检测质量块M4分别通过一个第三弹性梁S3与中央锚点10连接，该中央锚点10固定在基底1的中央，以支撑整个机械结构。

本实施例中，两个检测结构还包括四个检测电极，即第一检测电极D1、第二检测电极D2、第三检测电极D3和第四检测电极D4，第一检测电极D1、第二检测电极D2、第三检测电极D3和第四检测电极D4与第一检测质量块M1、第二检测质量块M2、第三检测质量块M3和第四检测质量块M4一一对应设置。

需要说明的是，检测电极位于检测质量块和基底1之间，如图2所示，第一检测电极D1位于第一检测质量块M1和基底1之间，第二检测电极D2位于第二检测质量块M2和基底1之间，以使检测电极与对应的检测质量块构成检测电容。

具体地，第一检测电极D1与第一检测质量块M1构成第一检测电容C1，第二检测电极D2与第二检测质量块M2构成第二检测电容C2，第三检测电极D3与第三检测质量块M3构成第三检测电容C3，第四检测电极D4与第四检测质量块M4构成第四检测电容C4。

本实施例中，如图1所示，驱动结构包括第一驱动质量块m1、第二驱动质量块m2、第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4。

所述第一驱动质量块m1和第二驱动质量块m2沿所述第一轴即X轴和所述第二轴即Y轴的交点中心对称设置，所述第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4沿所述第一轴即X轴和所述第二轴即Y轴的交点中心对称设置，且所述第一驱动质量块m1和所述第三驱动质量块m3沿所述第一轴即X轴对称设置。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，第一驱动质量块m1和所述第三驱动质量块m3也可以沿第二轴即Y轴对称设置。

需要说明的是，本实施例中的第一轴即X轴和第二轴即Y轴的交点即为中央锚点10的中心。也就是说，本实施例中，是以中央锚点10的中心为原点O建立的坐标系。

具体地，第一驱动质量块m1位于第一检测质量块M1和第三检测质量块M3之间的象限内，第二驱动质量块m2位于第二检测质量块M2和第四检测质量块M4之间的象限内，第三驱动质量块m3位于第二检测质量块M2和第三检测质量块M3之间的象限内，第四驱动质量块m4位于第一检测质量块M1和第四检测质量块M4之间的象限内。

并且，第一驱动质量块m1、第二驱动质量块m2、第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4分别通过一个第二弹性梁S2与构成对应象限的两个检测质量块的连接区域对应连接。相邻的两个驱动质量块之间通过第一弹性梁S1耦合连接。

本实施例中，每个所述驱动质量块都包括两个镂空区域，一个所述镂空区域设置所述驱动电极，另一个所述镂空区域设置所述驱动反馈电极。其中，所述驱动电极和所述驱动反馈电极都通过锚点固定在所述基底1上。

此外，驱动电极和驱动反馈电极都具有梳齿状的电极，驱动质量块与驱动电极和驱动反馈电极对应的区域也具有梳齿状的电极，且该梳齿状的电极与驱动电极和驱动反馈电极的梳齿状电极交叉设置，以构成电容。

如图1所示，第一驱动质量块m1的一个镂空区域设置有第一驱动电极Q1，另一个镂空区域设置有第一驱动反馈电极q1，第一驱动质量块m1与第一驱动电极Q1构成第一驱动电容，第一驱动质量块m1与第一驱动反馈电极q1构成第一驱动反馈电容；第二驱动质量块m2的一个镂空区域设置有第二驱动电极Q2，另一个镂空区域设置有第二驱动反馈电极q2，第二驱动质量块m2与第二驱动电极Q2构成第二驱动电容，第二驱动质量块m2与第二驱动反馈电极q2构成第二驱动反馈电容；第三驱动质量块m3的一个镂空区域设置有第三驱动电极Q3，另一个镂空区域设置有第三驱动反馈电极q3，第三驱动质量块m3与第三驱动电极Q3构成第三驱动电容，第三驱动质量块m3与第三驱动反馈电极q3构成第三驱动反馈电容；第四驱动质量块m4的一个镂空区域设置有第四驱动电极Q4，另一个镂空区域设置有第四驱动反馈电极q4，第四驱动质量块m4与第四驱动电极Q4构成第四驱动电容，第四驱动质量块m4与第四驱动反馈电极q4构成第四驱动反馈电容。

其中，第一驱动电极Q1、第一驱动反馈电极q1、第二驱动电极Q2、第二驱动反馈电极q2、第三驱动电极Q3、第三驱动反馈电极q3、第四驱动电极Q4和第四驱动反馈电极q4固定在基底1上，第一驱动质量块m1、第二驱动质量块m2、第三驱动质量块m3、第四驱动质量块m4可沿各自的轴向往复振动。

在陀螺仪工作的过程中，在驱动模态下，外围的驱动电路向驱动电极输入交流电，向驱动质量块输入大于0的直流电，当驱动电极的交流电为正时，驱动电极和驱动质量块之间产生斥力，当驱动电极的交流电为负时，驱动电极和驱动质量块之间产生吸力，从而使得驱动质量块在轴向上做往复振动。在驱动质量块往复振动的过程中，驱动反馈电容会检测驱动质量块往复振动产生的电容变化，并将该电容变化反馈至驱动电极，以对驱动电极的电压或驱动质量块的振动幅度进行调整。

在图1所示的结构中，在驱动模态下，第一驱动质量块m1和第二驱动质量块m2沿特定方向B做往复直线振动，第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4沿特定方向A做往复直线振动。其中，特定方向A和特定方向B都位于第一轴即X轴和第二轴即Y轴构成的平面内，特定方向A与特定方向B相交，且特定方向A与第一轴即X轴和第二轴即Y轴呈一夹角，特定方向B与第一轴即X轴和第二轴即Y轴呈一夹角。可选地，若两轴陀螺仪的机械结构为方形结构，则特定方向A与第一轴即X轴的夹角为45°，特定方向B与第一轴即X轴的夹角为135°。

当垂直于两轴陀螺仪机械结构平面即垂直于第一轴即X轴和第二轴即Y轴构成的平面的方向有角速度输入时，科氏效应将在与第一驱动质量块m1、第二驱动质量块m2、第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4的振动方向垂直的方向上形成科氏力。

在一个检测模态下，第一驱动质量块m1、第二驱动质量块m2、第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4上产生的科氏力通过第二弹性梁S2带动第一检测质量块M1和第二检测质量块M2绕第一轴即X轴运动，即带动第一检测质量块M1和第二检测质量块M2在垂直于XY平面的Z轴方向上运动，从而引起第一检测电容C1的电容变化以及第二检测电容C2的电容变化，进而可以根据第一检测电容C1和第二检测电容C2的电容变化计算出角速度的值。

在另一个检测模态下，第一驱动质量块m1、第二驱动质量块m2、第三驱动质量块m3和第四驱动质量块m4上产生的科氏力通过第二弹性梁S2带动第三检测质量块M3和第四检测质量块M4绕第二轴即Y轴运动，即带动第三检测质量块M3和第四检测质量块M4在垂直于XY平面的Z轴方向上运动，从而引起第三检测电容C3的电容变化以及第四检测电容C4的电容变化，进而可以根据第三检测电容C3和第四检测电容C4的电容变化计算出角速度的值。

需要说明的是，第一检测质量块M1和第二检测质量块M2绕第一轴即X轴运动时，会带动第三检测质量块M3和第四检测质量块M4轻微运动；第三检测质量块M3和第四检测质量块M4绕第二轴即Y轴运动时，会带动第一检测质量块M1和第二检测质量块M2轻微运动，但由于轻微运动引起的电容变化较小，因此，可以忽略不计。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，可以根据第一检测质量块M1、第二检测质量块M2、第三检测质量块M3和第四检测质量块M4分别构成的四个检测电容的电容变化计算陀螺仪输入的角速度。

此外，本实施例中的两轴陀螺仪的基底1和机械结构的材料可以为硅或锗等。该两轴陀螺仪的厚度在10μm～60μm之间。

本实施例提供的两轴陀螺仪，由于驱动质量块做往复振动的方向与检测质量块运动的方向即绕第一轴即X轴和第二轴即Y轴运动的方向均不同，因此，在无角速度输入即无科氏力的情况下，驱动质量块不会带动检测质量块运动，从而可以实现驱动模态下驱动结构和检测结构的机械解耦，进而可以减小陀螺仪的输出误差，提高陀螺仪的输出精度；

并且，由于驱动质量块之间通过第一弹性梁S1耦合连接，检测质量块之间刚性连接，因此，可以实现驱动质量块之间的机械耦合以及检测质量块之间的机械耦合，从而可以保证驱动质量块之间的振动一致性以及检测质量块之间的运动一致性，提高了陀螺仪的抗干扰能力。

此外，本实施例中的两轴陀螺仪通过一个驱动结构驱动对应两个轴向的检测质量块，并通过两个轴向共享检测质量块，节省了驱动结构的面积，相应节省了向驱动结构提供电压的外围驱动电路的面积，使得两轴陀螺仪的体积较小，成本较低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种微机电两轴陀螺仪，其特征在于，包括一个驱动结构和两个检测结构；

所述驱动结构包括至少两个驱动质量块和至少两个驱动电极，每一所述驱动质量块与一所述驱动电极构成一驱动电容；所述驱动电容用于驱动所述驱动质量块在一特定方向上做往复振动；

每个所述检测结构包括至少两个检测质量块和至少两个检测电极，每一所述检测质量块与一所述检测电极构成一检测电容；所述检测电容用于检测所述两轴陀螺仪输入的角速度在所述驱动质量块上产生的科氏力带动所述检测质量块绕第一轴或第二轴运动而引起的电容变化，所述第一轴和所述第二轴的方向与所述特定方向均不同。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动质量块之间通过第一弹性梁耦合连接；所述检测质量块之间机械耦合连接；

所述驱动质量块和所述检测质量块之间通过第二弹性梁连接。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，一个所述检测结构包括第一检测质量块和第二检测质量块，另一个所述检测结构包括第三检测质量块和第四检测质量块；

所述第一检测质量块和第二检测质量块沿所述第一轴对称设置；所述第三检测质量块和第四检测质量块沿所述第二轴对称设置；

所述第一轴与所述第二轴垂直。

4.根据权利要求3所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动结构包括第一驱动质量块、第二驱动质量块、第三驱动质量块和第四驱动质量块；

所述第一驱动质量块和第二驱动质量块沿所述第一轴和所述第二轴的交点中心对称设置，所述第三驱动质量块和第四驱动质量块沿所述第一轴和所述第二轴的交点中心对称设置，且所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块沿所述第一轴或所述第二轴对称设置。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪，其特征在于，第一驱动质量块位于第一检测质量块和第三检测质量块之间；第二驱动质量块位于第二检测质量块和第四检测质量块之间；第三驱动质量块位于第二检测质量块和第三检测质量块之间；第四驱动质量块位于第一检测质量块和第四检测质量块之间。

6.根据权利要求1至5任一项所述的陀螺仪，其特征在于，还包括基底以及固定在所述基底上的中央锚点；所述中央锚点通过第三弹性梁与所述检测质量块连接。

7.根据权利要求6所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动结构还包括至少两个驱动反馈电极，每一所述驱动反馈电极与一所述驱动质量块构成一驱动反馈电容；

所述驱动反馈电容用于检测所述驱动质量块往复振动产生的电容变化，并通过信号处理电路将所述电容变化反馈至所述驱动电极。

8.根据权利要求7所述的陀螺仪，其特征在于，每个所述驱动质量块都包括两个镂空区域，所述驱动电极位于一个所述镂空区域，所述驱动反馈电极位于另一个所述镂空区域，且所述驱动电极和所述驱动反馈电极固定在所述基底上。

9.根据权利要求6所述的陀螺仪，其特征在于，所述检测电极位于所述检测质量块和所述基底之间。