CN107782299B - 一种两轴mems陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两轴MEMS陀螺仪，包括对称设置于锚点左右两侧且位于X轴方向上的一组X轴质量块，以及对称设置于所述锚点上下两侧且位于Y轴方向上的一组Y轴质量块；所述X轴质量块、所述Y轴质量块以及所述锚点之间通过若干根弹簧梁相连。上述两轴MEMS陀螺仪，利用一套驱动部件便能够实现对于X轴和Y轴的角速度检测，从而节省了陀螺仪的内部空间，降低了成本。

Description

一种两轴MEMS陀螺仪
技术领域
本发明涉及MEMS陀螺仪技术领域，特别涉及一种两轴MEMS陀螺仪。
背景技术
随着各类消费电子产品逐渐向便携、轻便化发展，市场对体积更小的陀螺仪芯片的需求日益迫切。
针对目前市场已经知晓的MEMS技术，运用该技术已获得了诸如利用半导体材料制成的陀螺仪；目前我国面向此市场的MEMS陀螺仪主要为电容谐振式陀螺仪，即通过驱动电容机械结构使质量块在驱动模态上振动，在通过检测电容检测由于科里奥利力导致的质量块在检测方向的运动引起的电容变化。
在现有技术中，两轴陀螺仪机械部分由两个独立的X与Y单轴陀螺仪构成，每个单轴陀螺仪结构中需要分别包含独立的质量块、驱动以及检测结构，并且相应的ASIC电路中需要采用两套独立的驱动电路分别驱动，导致最终陀螺仪芯片的体积较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种两轴MEMS陀螺仪，该两轴MEMS陀螺仪可以解决体积较大、成本较高问题。
为实现上述目的，本发明提供一种两轴MEMS陀螺仪，包括对称设置于锚点左右两侧且位于X轴方向上的一组X轴质量块，以及对称设置于所述锚点上下两侧且位于与所述X轴方向垂直的Y轴方向上的一组Y轴质量块；所述X轴质量块、所述Y轴质量块以及所述锚点之间通过若干根弹簧梁相连。
相对于上述背景技术，本发明提供的两轴MEMS陀螺仪，主要包括X轴质量块、Y轴质量块以及弹簧梁；将锚点左右两侧方向定义为X轴方向，锚点上下两侧方向定义为Y轴方向，并且一组X轴质量块对称设置于锚点的左右两侧，一组Y轴质量块对称设置于锚点的上下两侧；而本发明的核心在于利用若干根弹簧梁将一组X轴质量块与一组Y轴质量块连接，并且将一组X轴质量块和一组Y轴质量块与锚点相连；即，利用弹簧梁将分别处于X轴和Y轴方向的两组质量块连接，从而实现当陀螺仪具有沿X轴或沿Y轴方向的旋转角速度时，两组质量块能够产生相应的运动，以便检测X轴或Y轴角速度的大小；采用如上设置方式，利用一套驱动部件便能够实现对于X轴和Y轴的角速度检测，从而节省了陀螺仪的内部空间，降低了成本。
优选地，所述X轴质量块与所述Y轴质量块均设置以所述锚点为中心向所述两轴MEMS陀螺仪的边缘发散的延伸轴，任意相邻的两个所述延伸轴通过一根第一弹簧梁相连。
优选地，所述锚点与所述X轴质量块和所述Y轴质量块之间还设置刚性梁，所述刚性梁与所述锚点之间通过四根均匀分布于所述锚点四周的第二弹簧梁相连。
优选地，所述刚性梁以所述锚点为中心沿所述X轴和所述Y轴对称。
优选地，所述刚性梁的侧壁与所述X轴质量块和所述Y轴质量块之间通过第三弹簧梁相连。
优选地，所述刚性梁设置有分别用以与所述X轴质量块的凹槽和所述Y轴质量块的凹槽相配合的伸出部，并且所述凹槽与所述伸出部之间通过第四弹簧梁相连。
优选地，所述X轴质量块具体为位于所述锚点下方的第一质量块和位于所述锚点上方的第二质量块，所述Y轴质量块具体为位于所述锚点左侧的第三质量块和位于所述锚点右侧的第四质量块。
优选地，还包括：
用以提供交变电压以实现所述X轴质量块和所述Y轴质量块运动的驱动电容，
用以检测所述X轴角速度的X轴检测电容以及用以检测所述Y轴角速度的Y轴检测电容。
优选地，还包括：
用以标定所述驱动电容的驱动幅度的驱动检测电容。
优选地，所述X轴检测电容位于所述Y轴质量块远离所述锚点的一侧；所述Y轴检测电容位于所述X轴质量块远离所述锚点的一侧。
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为本发明实施例所提供的两轴MEMS陀螺仪的结构示意图；
图2为图1中的两轴MEMS陀螺仪在驱动电容作用下的示意图；
图3为图1中的两轴MEMS陀螺仪对X轴进行检测时的示意图；
图4为图1中的两轴MEMS陀螺仪对Y轴进行检测时的示意图。
其中：
1-锚点、2-刚性梁、201-伸出部、10-第一质量块、20-第二质量块、30-第三质量块、40-第四质量块、21-第一弹簧梁、22-第二弹簧梁、23-第三弹簧梁、24-第四弹簧梁、31～320-第一电极～第二十电极。
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。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为本发明实施例所提供的两轴MEMS陀螺仪的结构示意图；图2为图1中的两轴MEMS陀螺仪在驱动电容作用下的示意图；图3为图1中的两轴MEMS陀螺仪对X轴进行检测时的示意图；图4为图1中的两轴MEMS陀螺仪对Y轴进行检测时的示意图。
本发明提供的两轴MEMS陀螺仪，在锚点1的左右两侧对称设置一组X轴质量块，并在锚点1的上下两侧对称设置一组Y轴质量块。
本文中，针对一组X轴质量块和一组Y轴质量块的定义，可以解释为：一组X轴质量块包括如说明书附图1所示的第三质量块30和第四质量块40；其中，第三质量块30位于锚点1的左侧，第四质量块40位于锚点1的右侧，并且第三质量块30和第四质量块40对称于锚点1设置。与之类似地，一组Y轴质量块包括如说明书附图1所示的第一质量块10和第二质量块20；其中第一质量块10位于锚点1的下方，第二质量块20位于锚点1的上方。
本发明的核心在于，利用若干根弹簧梁将X轴质量块与Y轴质量块相连；即无论一组X轴质量块和一组Y轴质量块如何定义，若干根弹簧梁应将X轴质量块与Y轴质量块全部连接，并且X轴质量块与Y轴质量块通过弹簧梁还应与锚点1相连。
显而易见地，在弹簧梁的作用下，X轴质量块与Y轴质量块连接，当在驱动X轴质量块或Y轴质量块运动时，由于弹簧梁的存在，使得未受到驱动的X轴质量块或Y轴质量块能够共同运动，以实现X轴质量块与Y轴质量块的检测功能。
针对X轴质量块或Y轴质量块的设置方式，本发明给出了一种较优方式；X轴质量块与Y轴质量块相连接的部位被定义为延伸轴，而该延伸轴以锚点1为中心向两轴MEMS陀螺仪的边缘发散，如说明书附图1所示。
以一组X轴质量块包括第三质量块30和第四质量块40、且一组Y轴质量块包括第一质量块10和第二质量块20为例；第一质量块10的左右两侧分别为第三质量块30和第四质量块40，第一质量块10的左侧边紧邻第三质量块30的下侧边，第一质量块10的右侧边紧邻第四质量块40的下侧边；第一质量块10的左侧边与第三质量块30的下侧边均为延伸轴，并且延伸轴以锚点1为中心向两轴MEMS陀螺仪的边缘发散；与之类似地，第一质量块10的右侧边与第四质量块40的下侧边为延伸轴，并且呈发散状。可以看出，在该实施例中，延伸轴具备四个发散方向，并且最好将延伸轴与X轴之间的角度设置为45°，这样有助于提高两轴MEMS陀螺仪的对称性，使得一组X轴质量块与一组Y轴质量块的耦合运动更加可靠。
在上述基础之上，任意相邻的两个延伸轴通过一根第一弹簧梁21相连；即，第一质量块10的左侧边与第三质量块30通过一根第一弹簧梁21相连，第一质量块10的右侧边与第四质量块40的下侧边通过另外一根第一弹簧梁21相连；如说明书附图1可知，本发明优选设置四根第一弹簧梁21，用于将第一质量块10、第二质量块20、第三质量块30和第四质量块40连接。
锚点1的四周还设置刚性梁2，X轴质量块和Y轴质量块位于刚性梁2的四周；即，锚点1与X轴质量块和Y轴质量块之间并非直接相连，而是通过刚性梁2将锚点1与X轴质量块和Y轴质量块连接为整体。锚点1的四周通过第二弹簧梁22与刚性梁2连接。为了提高两轴MEMS陀螺仪的对称性，四根第二弹簧梁22均匀分布于锚点1的四周。四根第二弹簧梁22最好采用如说明书附图1所示的设置方式，而刚性梁2也可以设置为对称的，即刚性梁2以锚点1为中心沿X轴和Y轴对称。
4根第二弹簧梁22和8根第三弹簧梁23可以呈如附图1所示的矩形；4根第一弹簧梁21以锚点1的中心均匀向四周发散。8根第四弹簧梁24中，两根为一组均匀分布于两轴MEMS陀螺仪的上下左右四个方位。
具体来说，以锚点1为中心，由内向外依次为锚点1、刚性梁2以及X轴质量块和Y轴质量块；上文阐述了锚点1与刚性梁2之间可选的连接方式，而刚性梁2与X轴质量块和Y轴质量块之间的连接方式可以采用如下方式连接。
刚性梁2的侧壁与X轴质量块和Y轴质量块之间通过第三弹簧梁23相连；针对第一质量块10来说，第一质量块10与刚性梁2之间通过两根第三弹簧梁23连接；由于上文所述的对称特点，第二质量块20与刚性梁2之间同样通过两根第三弹簧梁23连接。
除此之外，刚性梁2还设置伸出部201，而X轴质量块与Y轴质量块设置凹槽，伸出部201与凹槽相配合，并由第四弹簧梁24相连。
由上文描述以及说明书附图可以看出，本发明提供的两轴MEMS陀螺仪是左右和上下对称的；X轴质量块与Y轴质量块(可以为第一质量块10、第二质量块20、第三质量块30和第四质量块40)、刚性梁2以及锚点1通过上述四根第一弹簧梁21、四根第二弹簧梁22、八根第三弹簧梁23以及八根第四弹簧梁24相互相连，从而在整体上形成了本发明两轴MEMS陀螺仪的可动部件。具体来说，刚性梁2通过四根第二弹簧梁22连接到锚点1上，形成了一个支架。该支架上优选分别连着第一质量块10、第二质量块20、第三质量块30和第四质量块40；其中，四个质量块均通过两根第三弹簧梁23以及两根第四弹簧梁24连接至刚性梁2；而四个质量块通过四根第一弹簧梁21相互连接。除此之外，两轴MEMS陀螺仪还包括一组驱动电容、一组驱动检测电容、一组X轴检测电容以及一组Y轴检测电容，如说明书附图1所示。
两轴MEMS陀螺仪一共包括20个电极，分别从31～320；全部电极固定不动的，并且与上述陀螺仪的可动部件之间形成了20个电容。该20个电容可分为8组，分别为第一驱动电容和第二驱动电容，第一驱动检测电容和第二驱动检测电容，第一X轴检测电容和第二X轴检测电容，第一Y轴检测电容和第二Y轴检测电容。
其中第一驱动电容由第一电极31、第八电极38、第九电极39、第十六电极316与可动部件之间形成；第二驱动电容由第二电极32、第七电极37、第十电极310、第十五电极315与可动部件之间形成。
第一驱动检测电容由第三电极33、第五电极35、第十二电极312、第十四电极314与可动部件之间形成；第二驱动检测电容由第四电极34、第六电极36、第十一电极311、第十三电极313与可动部件之间形成。
第一X轴检测电容由第十七电极317与可动部件之间形成；第二X轴检测电容由第十八电极318与可动部件之间形成。第一Y轴检测电容由第十九电极319与可动部件之间形成；第一Y轴检测电容由第二十电极320与可动部件之间形成。
本发明优选将驱动电容以及驱动检测电容设置于两轴MEMS陀螺仪的四个顶角处；更为优选地，将X轴检测电容位于Y轴质量块远离锚点1的一侧；Y轴检测电容位于X轴质量块远离锚点1的一侧。
如说明书附图2所示，两轴MEMS陀螺仪受到驱动电容的驱动时，在第一驱动电容和第二驱动电容的两端施加方向相反的交变电压时，会产生交变静电力，使得第一质量块10和第二质量块20沿Y轴做往复运动。同时，由于第一质量块10和第二质量块20通过四根第一弹簧梁21与第三质量块30和第四质量块40相连，因此能够将其运动传递过去，导致第三质量块30和第四质量块40沿着X轴做往复运动。本发明为了能够准确地控制驱动幅度，结构上还需要第一驱动检测电容和第而驱动检测电容来标定驱动的幅度。
当两轴MEMS陀螺仪对X轴进行检测时，如说明书附图3所示；当有X轴角速度输入时，沿Y轴做往复运动的第一质量块10和第二质量块20会受到沿Z轴方向的科里奥利力；因而使得第一质量块10和第二质量块20沿Z轴做往复运动，同时带动刚性梁2绕X轴做往复转动。此时与第一质量块10和第二质量块20相对应的第一X轴检测电容和第二X轴检测电容也会产生周期变化；而通过后续电路检测这两个电容的变化，就能够知道输入X轴角速度的大小。
当两轴MEMS陀螺仪对Y轴进行检测时，如说明书附图4所示；当有Y轴角速度输入时，沿X轴做往复运动的质量块第三质量块30和第四质量块40会受到沿Z轴方向的科里奥利力，使得质量块第三质量块30和第四质量块40会沿Z轴做往复运动，同时带动刚性梁2绕Y轴做往复转动，此时与第三质量块30和第四质量块40相对应的第一Y轴检测电容和第二Y轴检测电容也会产生周期变化，并通过后续电路检测这两个电容的变化，便能够知道输入Y轴角速度的大小。
本发明提供的两轴MEMS陀螺仪，通过把两个轴的质量块连接起来，使得只需要一套驱动电容(第一驱动电容和第二驱动电容)和一套驱动检测电容(第一驱动检测电容和第二驱动检测电容)就可以实现两个轴的驱动。这与传统的分立质量的两轴陀螺仪相比，节省了一套驱动电容和一套驱动检测电容。两轴MEMS陀螺仪在结构上实现了对称，并且整个可动部件只有一个锚点在结构的正中心，使得陀螺仪受外界应力的影响大大降低，因而节省了陀螺仪的面积，降低了成本,并提高了性能。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的两轴MEMS陀螺仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种两轴MEMS陀螺仪，其特征在于，包括对称设置于锚点(1)左右两侧且位于X轴方向上的一组X轴质量块，以及对称设置于所述锚点(1)上下两侧且位于与所述X轴方向垂直的Y轴方向上的一组Y轴质量块；所述X轴质量块、所述Y轴质量块以及所述锚点(1)之间通过若干根弹簧梁相连，所述X轴质量块与所述Y轴质量块均设置以所述锚点(1)为中心向所述两轴MEMS陀螺仪的边缘发散的延伸轴，所述延伸轴与所述X轴之间的角度设置为45°，任意相邻的两个所述延伸轴通过一根第一弹簧梁相连(21)；
所述X轴质量块具体为位于所述锚点(1)下方的第一质量块(10)和位于所述锚点(1)上方的第二质量块(20)，所述Y轴质量块具体为位于所述锚点(1)左侧的第三质量块(30)和位于所述锚点(1)右侧的第四质量块(40)；
还包括：
一组用以提供交变电压以实现所述X轴质量块和所述Y轴质量块运动的驱动电容，
一组用以检测所述X轴角速度的X轴检测电容以及一组用以检测所述Y轴角速度的Y轴检测电容；
一组用以标定所述驱动电容的驱动幅度的驱动检测电容。
2.根据权利要求1所述的两轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述锚点(1)与所述X轴质量块和所述Y轴质量块之间还设置刚性梁(2)，所述刚性梁(2)与所述锚点(1)之间通过四根均匀分布于所述锚点(1)四周的第二弹簧梁(22)相连。
3.根据权利要求2所述的两轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述刚性梁(2)以所述锚点(1)为中心沿所述X轴和所述Y轴对称。
4.根据权利要求3所述的两轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述刚性梁(2)的侧壁与所述X轴质量块和所述Y轴质量块之间通过第三弹簧梁(23)相连。
5.根据权利要求3所述的两轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述刚性梁(2)设置有分别用以与所述X轴质量块的凹槽和所述Y轴质量块的凹槽相配合的伸出部(201)，并且所述凹槽与所述伸出部(201)之间通过第四弹簧梁(24)相连。
6.根据权利要求1所述的两轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述X轴检测电容位于所述Y轴质量块远离所述锚点(1)的一侧；所述Y轴检测电容位于所述X轴质量块远离所述锚点(1)的一侧。
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