CN111504291A - 陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括锚点、以所述锚点为轴心且经第一连接部固定于所述锚点周向的环状结构及与所述环状结构间隔设置的驱动电极，所述环状结构包括多个形成有第一角部的第一环状结构及多个呈圆环形的第二环状结构，所述第一环状结构与所述第二环状结构同轴设置，所述第一环状结构与所述第二环状结构间隔设置于所述锚点外周且所述第一环状结构与所述第二环状结构经第二连接部相连接，所述第一环状结构的外轮廓为正8N角星。使得本发明的陀螺仪拥有两个振型相同的振动模态，通过将所述第一环状结构的外轮廓限定为正8N角星，使得本发明的陀螺仪同时具备高频率、高品质因数、驱动/检测模态频率相差较小的优点。

Description

陀螺仪
【技术领域】
本发明涉及陀螺仪，尤其涉及一种MEMS陀螺仪。
【背景技术】
随着电子技术的发展，陀螺仪被普遍运用到各种便携式电子设备比如手机、IPAD等，用于检测物理量偏转，倾斜时的转动角速度，用以实现3D动作，得到消费者的青睐。MEMS陀螺仪是应用微机械加工技术与微电子工艺制作的一种微型角速度传感器。MEMS圆型陀螺仪和MEMS星型陀螺仪是振动式MEMS陀螺仪中的典型代表。MEMS圆型陀螺仪的固有频率高，抗振动能力强，但是品质因数偏低、驱动/检测模态频率差大，而MEMS星型陀螺仪的品质因数高、驱动/检测模态频率差小，但固有频率低，抗振动能力相较圆型嵌套差。因此，有必要提供一种实现高频率、高品质因数、驱动/检测模态频率相差较小的陀螺仪。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种实现高频率、高品质因数、驱动/检测模态频率相差较小的陀螺仪。
本发明的技术方案如下：一种陀螺仪，所述陀螺仪包括锚点、以所述锚点为轴心且经第一连接部固定于所述锚点周向的环状结构及与所述环状结构间隔设置的驱动电极，所述环状结构包括多个形成有第一角部的第一环状结构及多个呈圆环形的第二环状结构，所述第一环状结构与所述第二环状结构同轴设置，所述第一环状结构与所述第二环状结构间隔设置于所述锚点外周且所述第一环状结构与所述第二环状结构经第二连接部相连接，所述第一环状结构的外轮廓为正8N角星，其中，N为整数，且N≥1。所述第一环状结构经所述第一连接部与所述锚点固定连接。
更优地，所述第二环状结构经所述第一连接部与所述锚点固定连接。
更优地，多个所述第一环状结构间隔设置且相邻的所述第一环状结构经第三连接部相连接。
更优地，多个所述第二环状结构间隔设置且相邻的所述第二环状结构经第四连接部相连接。
更优地，所述驱动电极包括设置于所述第一环状结构外周的第一电极或设置于所述第二环状结构外周的第二电极中的一个。
更优地，所述驱动电极包括设置于所述第一环状结构外周的第一电极和与更优地，所述第一电极对应设置且位于所述第二环状结构外周的第二电极。
更优地，所述第一电极设置于所述第一环状结构与所述第二环状结构之间，所述第二电极设置于所述环状结构远离所述锚点一端。
更优地，所述锚点为具有多个对称设置的第二角部的星型结构。
更优地，所述锚点、第一环状结构、第二环状结构、第一连接部及第二连接部由半导体材料一体刻蚀成型。
本发明的有益效果在于：通过在锚点外周设置具有易于形变特点的第一角部的第一环状结构及具有高度对称性的呈圆环形的第二环状结构，使得本发明的陀螺仪拥有两个振型相同的振动模态，第一个模态为沿0°/90°的驱动模态；第二个模态为沿45°/135°的检测模态，通过将所述第一环状结构的外轮廓限定为正8N角星，使得本发明的陀螺仪同时具备高频率、高品质因数、驱动/检测模态频率相差较小的优点。
【附图说明】
图1为本发明的陀螺仪立体结构示意图；
图2为本发明的陀螺仪立体结构分解示意图；
图3为本发明的陀螺仪结构平面图；
图4为本发明的陀螺仪环状结构平面图；
图5为本发明的第一环状结构平面图；
图6为本发明的第二环状结构平面图；
图7为本发明的陀螺仪驱动模态原理示意图；
图8为本发明的陀螺仪检测模态原理示意图；
图9为一种由10个第一环状结构组成的MEMS星型陀螺仪结构示意图；
图10为一种由10个第二环状结构组成的MEMS圆环型陀螺仪结构示意图；
图11为本发明的陀螺仪与图9和图10的陀螺仪之间的热弹品质因数QTED对比图；
图12为本发明的陀螺仪与图9和图10的陀螺仪之间的频率差对比图；
图13为本发明的陀螺仪与图9和图10的陀螺仪之间的模态频率对比图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
本发明一种陀螺仪100，参见图1～图4，所述陀螺仪100包括锚点10、环状结构20及驱动电极30。
所述锚点10可以由半导体材料经光刻蚀而成，本实施例中，所述锚点10和环状结构20由半导体材料经刻蚀一体成型，所述锚点10为具有多个对称设置的第二角部11的星型结构，本实施例中，所述第二角部11的数量为8个，8个所述第二角部11的尖部分别设置有第一连接部41，所述第一连接部41与所述环状结构20相连接，所述第一连接部41与所述锚点10和所述环状结构20一体成型。
参见图1～4，本实施例中，所述环状结构20以所述锚点10的中心为轴心固定于所述锚点10外周，且所述环状结构20经第一连接部41与所述锚点10相固定，所述环状结构20包括第一环状结构21和第二环状结构22，所述第一环状结构21与所述第二环状结构22间隔设置于所述锚点外周，且所述第一环状结构21与所述第二环状结构22经第二连接部42相连接。本实施例中，各所述第一环状结构21间隔设置，且相邻的所述第一环状结构21经第三连接部43相连接；各所述第二环状结构22间隔设置，且相邻的所述第二环状结构22经第四连接部43相连接。本实施例中，所述锚点10、第一环状结构21、第二环状结构22、第一连接部41、第二连接部42及第三连接部43由半导体材料一体刻蚀成型。
具体地，参见图5，所述第一环状结构21的数量为多个，所述第一环状结构21包括至少一对以所述锚点10作中心对称的第一角部211。
更优地，所述第一环状结构的外轮廓为正8N角星，其中，N为整数，且N≥1，当满足所述外轮廓为正8N角星，且N为整数，N≥1时，所述第一环状结构具有易变形特点的同时还具有良好的对称性。本实施例中，所述第一环状结构21的数量为6个，6个所述第一环状结构21由内至外依次连接，且相邻的两个第一环状结构21之间经多个第三连接部43相连接，每个所述第一环状结构21分别对应设置有16个形状大小相同的第一角部211，16个所述第一角部211相对锚点10的中心位置形成中心对称。
参见图6，所述第二环状结构22呈圆环形，本实施例中，所述第二环状结构22为与所述第一环状结构21同轴的圆环结构。所述第二环状结构22的数量为多个，本实施例中，所述第二环状结构22的数量为4个，4个所述第二环状结构22由内至外依次连接，且相邻的两个所述第二环状结构22经多个所述第四连接部44相连接。
优选地，所述第一连接部41与所述环状结构20相连接，第一环状结构21与第二环状结构22关于锚点10的相对位置不作限制，既可以是所述第一环状结构21经所述第一连接部41与所述锚点10固定连接，所述第二环状结构21经所述第二连接部42固定于所述第一环状结构21背离所述锚点10的一端，第一连接部41进而实现所述锚点10与整个所述环状结构20相连接，即最靠近所述锚点10的所述第一环状结构21与所述锚点10经第一连接部41相连接，且最靠近所述锚点10的所述第二环状结构22与最远离所述锚点10的所述第一环状结构21经所述第二连接部42相连接；也可以是所述第二环状结构22经所述第一连接部41与所述锚点10固定连接，所述第一环状结构21经所述第二连接部42固定于所述第二环状结构42背离所述锚点10的一端，第一连接部41进而实现所述锚点10与整个所述环状结构20相连接，即最靠近所述锚点10的所述第二环状结构22与所述锚点10经第一连接部41相连接，且最靠近所述锚点10的所述第一环状结构21与最远离所述锚点10的所述第二环状结构22经所述第二连接部42相连接。本实施例中，最靠近所述锚点10的所述第一环状结构21与所述锚点10经第一连接部41相连接，6个依次相邻的第一环状结构21通过第三连接部43相连接，且最靠近所述锚点10的所述第二环状结构22与最远离所述锚点10的所述第一环状结构21经所述第二连接部42相连接，4个依次相邻的第二环状结构22经第四连接部44相连接。
本实施例中，第一环状结构21的数量为6个，所述第二环状结构22的数量为4个，在其他实施例中，对第一环状结构21、第二环状结构22的具体数量不作限制。
具体地，参见图7和图8，所述驱动电极30与所述环状结构20间隔设置，且所述驱动电极30的数量为若干个，驱动电极30与所述环状结构20间隔设置形成电容，电容产生迫使陀螺仪100振动所需的外部驱动力。
更优地，所述驱动电极30包括第一电极31或/和第二电极32，可以是所述驱动电极30只包括设置于所述第一环状结构21外周的第一电极31；也可以是所述驱动电极30只包括设置于所述第二环状结构22外周的第二电极32；还可以是所述驱动电极30包括设置于所述第一环状结构21外周的第一电极31和设置于所述第二环状结构22外周的第二电极32，本实施例中，所述驱动电极30包括设置于所述第一环状结构21外周的第一电极31和设置于所述第二环状结构22外周的第二电极32，且所述第一电极31和与所述第二电极32对应设置。
具体地，所述第一电极31设置于所述第一环状结构21与所述第二环状结构22之间，所述第二电极32设置于所述环状结构20远离所述锚点10一端，所述第一电极31与所述第二电极32相对设置，且所述第一电极31与所述第一环状结构21和所述第二环状结构22之间形成电容，所述第二电极32与所述第二环状结构22之间形成电容，电容产生迫使陀螺仪以驱动模态振型的振动所需的外部驱动力，通过外部驱动力，驱动本发明的陀螺仪100以驱动模态振型振动。此时，参见图7，当陀螺仪100受到外界角速度，根据哥氏原理，角速度将产生沿45°/135°方向的哥氏力合力，而哥氏力合力会迫使陀螺仪100产生以检测模态振型的振动。最终，参见图8，通过检测陀螺仪100沿45°/135°方向的振动位移，可获取角速度大小，进而检测陀螺仪100沿45°/135°方向的振动位移，以匹配驱动模态与检测两模态间的频率，从而抑制陀螺仪100的正交误差。
参见图4，图9和图10，采用控制变量法，列举了本实施例的由6个第一环状结构21和4个第二环状结构22构成环状结构20的星圆混合型陀螺仪100；由10个第一环状结构21a构成环状结构20a的星形嵌套型陀螺仪；以及由10个第二环状结构22b构成环状结构20b的圆形嵌套型陀螺仪，在仅改变三者嵌套结构厚度的情况下统计三者的热弹品质因数QTED、频率差、模态频率。参见附图11～图13可知，本发明的星圆混合嵌套型陀螺继承了星型嵌套陀螺、圆型嵌套陀螺的优势，在热弹品质因数QTED、频率差、模态频率三个方面具有相对均衡的性能。
借此，本发明通过在锚点外周设置具有易于形变特点的第一角部的第一环状结构及具有高度对称性的呈圆环形的第二环状结构，使得本发明的陀螺仪拥有两个振型相同的振动模态，第一个模态为沿0°/90°的驱动模态；第二个模态为沿45°/135°的检测模态，通过将所述第一环状结构的外轮廓限定为正8N角星，使得本发明的陀螺仪同时具备高频率、高品质因数、驱动/检测模态频率相差较小的优点。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括锚点、以所述锚点为轴心且经第一连接部固定于所述锚点周向的环状结构及与所述环状结构间隔设置的驱动电极，所述环状结构包括多个形成有第一角部的第一环状结构及多个呈圆环形的第二环状结构，所述第一环状结构与所述第二环状结构同轴设置，所述第一环状结构与所述第二环状结构间隔设置于所述锚点外周且所述第一环状结构与所述第二环状结构经第二连接部相连接，所述第一环状结构的外轮廓为正8N角星，其中，N为整数，且N≥1。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述第一环状结构经所述第一连接部与所述锚点固定连接。
3.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述第二环状结构经所述第一连接部与所述锚点固定连接。
4.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：多个所述第一环状结构间隔设置且相邻的所述第一环状结构经第三连接部相连接。
5.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：多个所述第二环状结构间隔设置且相邻的所述第二环状结构经第四连接部相连接。
6.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极包括设置于所述第一环状结构外周的第一电极或设置于所述第二环状结构外周的第二电极。
7.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极包括设置于所述第一环状结构外周的第一电极和与所述第一电极对应设置且位于所述第二环状结构外周的第二电极。
8.根据权利要求7所述的陀螺仪，其特征在于：所述第一电极设置于所述第一环状结构与所述第二环状结构之间，所述第二电极设置于所述环状结构远离所述锚点一端。
9.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述锚点为具有多个对称设置的第二角部的星型结构。
10.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述锚点、第一环状结构、第二环状结构、第一连接部及第二连接部由半导体材料一体刻蚀成型。
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