CN111693036A - 三轴mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种三轴MEMS陀螺仪，结构包括基底以及四个质量块，四个质量块以中心对称的方式悬浮设置于基底上，还包括用于实现基底与质量块二者间连接的锚点结构、用于使质量块可沿正交方向振动的解耦连接梁结构以及用于实现角速度检测的梳齿结构；每块质量块均通过锚点结构悬挂于基底上，四块质量块之间通过解耦连接梁结构实现连接，梳齿结构布置于质量块内。本发明采用了一种对称式的四质量结构，其振动模态结合了音叉陀螺仪的高灵敏度和对称结构带来的小频差，兼具检测灵敏度高及角度增益大的优点。

Description

三轴MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪设备，尤其涉及一种基于扭转振动模态检测中三轴角速度输入的三轴MEMS陀螺仪，属于微机电系统技术领域。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪是微机电系统中一种常见的用于测量角速度的惯性元件，一般而言，这类陀螺仪的基本工作原理依赖于敏感质量的振动在角速度输入时所产生的正弦科氏力。

在常见的MEMS陀螺仪结构中，敏感质量由柔性梁系统悬挂在基底上方，使敏感质量在两个正交方向（驱动方向和检测方向）上自由振荡。整个动力系统可以简化为多个自由度的质量弹簧阻尼器系统，其中由旋转角速度引起的科氏力会将能量从驱动模态传递到对应的检测模态中，这个能量与输入的角速度成正比。

对于大多数微机械振动速率陀螺仪而言，敏感质量在驱动方向被外部正弦静电力或电磁力驱动进入共振，当陀螺仪旋转时，驱动频率处的正弦科氏力在与驱动振动速度和角速度轴正交的方向上被引发，具体的，科氏力的表达式为

。

尽管目前，现有技术中已有的诸多MEMS陀螺仪能够实现模态检测的功能，但是在其实际应用时，仍然存在着诸如结构复杂、易损，生产成本高，灵敏度和精度较差等各方面的问题。

综上所述，鉴于当前市场对于陀螺仪功能方面的需求以及一些技术层面的共性问题，如何提出一种结构简单紧凑、低成本、灵敏度高的三轴MEMS陀螺仪，从而显著提升陀螺仪的使用效果，就成为了本领域内技术人员所亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于扭转振动模态检测中三轴角速度输入的三轴MEMS陀螺仪，具体如下。

一种三轴MEMS陀螺仪，包括基底以及四个质量块，四个所述质量块以中心对称的方式悬浮设置于所述基底上，还包括用于实现所述基底与所述质量块二者间连接的锚点结构、用于使所述质量块可沿正交方向振动的解耦连接梁结构以及用于实现角速度检测的梳齿结构；

每块所述质量块均通过所述锚点结构悬挂于所述基底上，四块所述质量块之间通过所述解耦连接梁结构实现连接，所述梳齿结构布置于所述质量块内。

优选地，所述基底呈正方形，以所述基底的中心点为原点建立包含有X轴、Y轴、Z轴的三维空间坐标系，所述X轴、所述Y轴均与所述基底的端面相平行，所述Z轴与所述基底的端面相垂直；

四个所述质量块两两为一组、两组所述质量块分别关于所述X轴与所述Y轴对称设置，四个所述质量块整体关于所述原点呈中心对称。

优选地，四个所述质量块的形状一致、均呈等腰梯形，每个所述质量块均包含两个等长的斜边、一个短边及一个长边，四个所述质量块的短边均贴近所述基底的中心点、四个所述质量块的长边均远离所述基底的中心点。

优选地，所述锚点结构包括四个设置于所述基底内部中心位置的内锚点以及八个设置于所述基底周圈边缘位置的外锚点；

四个所述内锚点整体关于所述原点呈中心对称，每个所述内锚点与相邻的一个所述内锚点二者关于所述X轴或所述Y轴对称；

八个所述外锚点整体关于所述原点呈中心对称，八个所述外锚点两两为一组、每组所述外锚点分别设置于所述基底上一条边的边缘位置处，每组内的两个所述外锚点二者关于所述X轴或所述Y轴对称。

优选地，每个所述内锚点均设置于相邻两个所述质量块之间且贴近所述质量块的短边，每组所述外锚点均与一个所述质量块匹配对应、每组所述外锚点分别贴近一个所述质量块的长边；

每个所述质量块均由两个所述内锚点以及一组所述外锚点支撑、悬挂设置于所述基底上方。

优选地，所述解耦连接梁结构包括多个双向U型梁、四个U型折叠梁以及四个中心柔性梁，在所述解耦连接梁结构的组合连接状态下、四个所述质量块通过所述中心柔性梁相耦合。

优选地，每个所述内锚点均通过两个所述双向U型梁分别连接到两个相邻的所述质量块，每个所述外锚点均通过一个所述双向U型梁连接到一个所述质量块；

所述U型折叠梁设置于所述质量块的短边一侧，四个所述U型折叠梁整体关于所述原点呈中心对称，四个所述U型折叠梁两两为一组、每组所述U型折叠梁分别沿所述X轴或所述Y轴设置，每个所述U型折叠梁均连接到同侧的两个连接有所述内锚点及所述质量块的所述双向U型梁；

所述中心柔性梁设置于所述基底内部中心位置，四个所述中心柔性梁整体关于所述原点呈中心对称，四个所述中心柔性梁两两为一组、每组所述中心柔性梁分别沿所述X轴或所述Y轴设置，四个所述中心柔性梁的一端均相连接于所述基底的中心点上方、四个所述中心柔性梁的另一端分别连接至一个所述U型折叠梁的对称中心，每个所述中心柔性梁均通过一个所述U型折叠梁与两个所述双向U型梁相连接。

优选地，所述梳齿结构包括驱动梳齿、驱动检测梳齿以及检测梳齿；单个所述质量块上的所述梳齿结构关于该所述质量块的中心轴相对称。

优选地，每个所述质量块上每条斜边的边缘位置处均布置有两排所述驱动梳齿、同一所述质量块内布置有共计四排所述驱动梳齿，同一所述质量块上同一条斜边的边缘位置处所布置的两排所述驱动梳齿之间预留有间隙；

每个所述质量块上长边的中间边缘位置处分别布置有两排所述驱动检测梳齿，两排所述驱动检测梳齿间并排设置；

每个所述质量块上长边的两侧边缘位置处分别布置有一组所述检测梳齿，同一所述质量块上的两组所述检测梳齿对称设置，每组所述检测梳齿内均包含有一组双向梳齿以及一组单向梳齿。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明所提供的MEMS陀螺仪，利用中心柔性梁实现了X、Y、Z三轴方向的角速度解耦，从而使得陀螺仪具备了三轴角速度检测的功能。而且本发明采用了一种对称式的四质量结构，其振动模态结合了音叉陀螺仪的高灵敏度和对称结构带来的小频差，兼具检测灵敏度高及角度增益大的优点。

同时，在本发明的硬件结构中，驱动梳齿和检测梳齿均布置在质量块的范围内，使得陀螺仪的整体结构更加精简和紧凑，满足了仪器微型化、高性能的使用需求。

此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供了参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与MEMS陀螺仪有关的技术方案中，具体很高的使用及推广价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的局部放大结构示意图之一；

图3是本发明的局部放大结构示意图之二；

图4是本发明的局部放大结构示意图之三；

图5是本发明的局部放大结构示意图之四；

图6是本发明处于工作模态下的整体结构示意图；

图7是本发明处于Z轴检测模态下的整体结构示意图；

图8是本发明处于X轴检测模态下的整体结构示意图；

图9是本发明处于Y轴检测模态下的整体结构示意图。

其中：001、双向U型梁；002、U型折叠梁；003、中心柔性梁；100、质量块；201、内锚点；202、外锚点； 301、驱动梳齿；302、驱动检测梳齿；303、检测梳齿。

具体实施方式

本发明揭示了一种基于扭转振动模态检测中三轴角速度输入的三轴MEMS陀螺仪，在单片芯片上实现了检测X、Y、Z三轴角速度的功能，同时保持了仪器整体结构的紧凑、实现了高灵敏度和高增益的效果。其结构具体如下。

如图1~图5所示，一种三轴MEMS陀螺仪，结构包括基底以及四个质量块100，在本实施例中，所述基底整体采用硅材料加工而成，所述硅材料可以是单晶硅或多晶硅或其他掺杂的硅。此外，具有同等使用效果的其他材料也可以作为所述基底的材料。四个所述质量块100以中心对称的方式悬浮设置于所述基底上，还包括用于实现所述基底与所述质量块100二者间连接的锚点结构、用于使所述质量块100可沿正交方向振动的解耦连接梁结构以及用于实现角速度检测的梳齿结构。

每块所述质量块100均通过所述锚点结构悬挂于所述基底上，四块所述质量块100之间通过所述解耦连接梁结构实现连接，所述梳齿结构布置于所述质量块100内。此外，需要说明的是，在本发明的结构中，除所述锚点结构外、其余部分均悬浮于所述基底上且整体呈中心对称。

所述基底呈正方形，以所述基底的中心点为原点建立包含有X轴、Y轴、Z轴的三维空间坐标系，所述X轴、所述Y轴均与所述基底的端面相平行，所述Z轴与所述基底的端面相垂直。

四个所述质量块100两两为一组、两组所述质量块100分别关于所述X轴与所述Y轴对称设置，四个所述质量块100整体关于所述原点呈中心对称。

四个所述质量块100的形状一致、均呈等腰梯形，每个所述质量块100均包含两个等长的斜边、一个短边及一个长边，四个所述质量块100的短边均贴近所述基底的中心点、四个所述质量块100的长边均远离所述基底的中心点。

所述锚点结构包括四个设置于所述基底内部中心位置的内锚点201以及八个设置于所述基底周圈边缘位置的外锚点202。

四个所述内锚点201整体关于所述原点呈中心对称，每个所述内锚点201与相邻的一个所述内锚点201二者关于所述X轴或所述Y轴对称。

八个所述外锚点202整体关于所述原点呈中心对称，八个所述外锚点202两两为一组、每组所述外锚点202分别设置于所述基底上一条边的边缘位置处，每组内的两个所述外锚点202二者关于所述X轴或所述Y轴对称。

每个所述内锚点201均设置于相邻两个所述质量块100之间且贴近所述质量块100的短边，每组所述外锚点202均与一个所述质量块100匹配对应、每组所述外锚点202分别贴近一个所述质量块100的长边。

每个所述质量块100均由两个所述内锚点201以及一组所述外锚点202支撑、悬挂设置于所述基底上方。

所述解耦连接梁结构包括多个双向U型梁001、四个U型折叠梁002以及四个解耦梁003，在所述解耦连接梁结构的组合连接状态下、四个所述质量块100通过所述解耦梁003相耦合。

每个所述内锚点201均通过两个所述双向U型梁001分别连接到两个相邻的所述质量块100，每个所述外锚点202均通过一个所述双向U型梁001连接到一个所述质量块100。

所述U型折叠梁002设置于所述质量块100的短边一侧，四个所述U型折叠梁002整体关于所述原点呈中心对称，四个所述U型折叠梁002两两为一组、每组所述U型折叠梁002分别沿所述X轴或所述Y轴设置，每个所述U型折叠梁002均连接到同侧的两个连接有所述内锚点201及所述质量块100的所述双向U型梁001。

所述解耦梁003设置于所述基底内部中心位置，在本发明的实际应用过程中，所述解耦梁003只传递轴向运动，不传递轴向转动，从而实现了平面两个方向角速度的独立检测。四个所述解耦梁003整体关于所述原点呈中心对称，四个所述解耦梁003两两为一组、每组所述解耦梁003分别沿所述X轴或所述Y轴设置，四个所述解耦梁003的一端均相连接于所述基底的中心点上方、四个所述解耦梁003的另一端分别连接至一个所述U型折叠梁002的对称中心，每个所述解耦梁003均通过一个所述U型折叠梁002与两个所述双向U型梁001相连接。

所述梳齿结构包括驱动梳齿301、驱动检测梳齿302以及检测梳齿303。单个所述质量块100上的所述梳齿结构关于该所述质量块100的中心轴相对称。在本方案中，对于所述质量块100的驱动方式包括但不限于静电力驱动。

每个所述质量块100上每条斜边的边缘位置处均布置有两排所述驱动梳齿301、同一所述质量块100内布置有共计四排所述驱动梳齿301，同一所述质量块100上同一条斜边的边缘位置处所布置的两排所述驱动梳齿301之间预留有间隙，当进行静电力驱动时可施加不同的电压。

每个所述质量块100上长边的中间边缘位置处分别布置有两排所述驱动检测梳齿302，两排所述驱动检测梳齿302间并排设置。

每个所述质量块100上长边的两侧边缘位置处分别布置有一组所述检测梳齿303，所述检测梳齿303的设置主要用于为检测Z轴方向的角速度输入，具体为检测Z轴方向角速度引起的科氏力使所述质量块100产生的位移，其检测方式包括但不限于变间距电容检测。同一所述质量块100上的两组所述检测梳齿303对称设置，每组所述检测梳齿303内均包含有一组双向梳齿以及一组单向梳齿。

在本发明的硬件结构中，每个所述质量块100均由与其相对应的驱动梳齿301驱动、即使所述质量块100简谐振动。

如图6~图9所示，以下便结合实际应用过程中本发明各运行模态的描述对上述方案进行功能性说明。

当本发明的三轴MEMS陀螺仪处于工作模态时，所述驱动检测梳齿302通过变面积电容检测质量块在驱动方向上的位移，将信号提供给控制器，控制器完成工作模态所需的驱动闭环。

此时，当有Z轴（垂直谐振子平面）的角速度输入，所述质量块100在科氏力的作用下，能量从工作模态传递到Z轴检测模态。Z轴检测模态为伸缩模态，即全部的所述质量块100都呈现同向的、远离或靠近中心的运动。具体而言，工作模态下，所述质量块100沿切向运动，在Z轴角速度作用下，所述质量块100受到的科氏力为径向。由于工作模态下质量块所述质量块100同向运动，故全部所述质量块100受到哥氏力也是同向的，表现为周期性地远离或靠近陀螺仪中心的运动，在所述解耦梁003的耦合下，Z轴检测模态表现为伸缩模态。

在Z轴检测模态下，所述检测梳齿303通过变间距电容检测所述质量块100在Z轴输入敏感方向（径向）的位移，并将信号提供给处理器，处理器经过计算得到Z轴角速度输入的大小。

在工作模态下，当有X轴（平行于谐振子平面）的角速度输入时，所述质量块100在科氏力的作用下，能量从工作模态传递到X轴检测模态。X轴检测模态为双质量摆动模态，即X轴方向上的两个所述质量块100都呈现反向地远离或靠近谐振子平面的摆动，其中所述质量块100短边一侧的位移最大，所述质量块100长边一侧的位移最小。

在X轴检测模态下，位于本发明所述的三轴MEMS陀螺仪下方的检测电极通过变间距电容检测出所述质量块100在X轴输入敏感方向（Z轴）上的位移，并将信号提供给处理器，处理器经过计算得到X轴角速度输入的大小。

在工作模态下，当有Y轴（平行于谐振子平面）的角速度输入时，所述质量块100在科氏力的作用下，能量从工作模态传递到Y轴检测模态。Y轴检测模态为双质量摆动模态，即Y轴方向上的两个所述质量块100都呈现反向地远离或靠近谐振子平面的摆动，其中所述质量块100短边一侧的位移最大，所述质量块100长边一侧的位移最小。

在Y轴检测模态下，位于本发明所述的三轴MEMS陀螺仪下方的检测电极通过变间距电容检测出所述质量块100在Y轴输入敏感方向（Z轴）的位移，并将信号提供给处理器，处理器经过计算得到Y轴角速度输入的大小。

在工作模态下，四个所述解耦梁003的共同中心也被扭转，并且每个所述解耦梁003的U梁结构释放了所述质量块100扭转带来的位移，使得扭转运动互不干扰。

在Z轴检测模态下，四个所述解耦梁003的共同中心受力平衡，并且每个所述解耦梁003释放了所述质量块100径向的位移，并将部分动能转化为了弹性势能，起到传递梁方向的力的作用。

在所述X/Y轴检测模态下，四个所述解耦梁003的共同中心受力平衡，并且每个所述解耦梁003释放了所述质量块100运动的位移，并将部分动能转化为了弹性势能，起到传递梁方向的力的作用。

结合以上描述可知，所述解耦梁003的作用具体为释放了工作模态时的扭转位移，在各检测模态时可以传递梁方向的力。

综上所述，本发明所提供的MEMS陀螺仪，利用中心柔性梁实现了X、Y、Z三轴方向的角速度解耦，从而使得陀螺仪具备了三轴角速度检测的功能。而且本发明采用了一种对称式的四质量结构，其振动模态结合了音叉陀螺仪的高灵敏度和对称结构带来的小频差，兼具检测灵敏度高及角度增益大的优点。

同时，在本发明的硬件结构中，驱动梳齿和检测梳齿均布置在质量块的范围内，使得陀螺仪的整体结构更加精简和紧凑，满足了仪器微型化、高性能的使用需求。

此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供了参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与MEMS陀螺仪有关的技术方案中，具体很高的使用及推广价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：包括基底以及四个质量块（100），四个所述质量块（100）以中心对称的方式悬浮设置于所述基底上，还包括用于实现所述基底与所述质量块（100）二者间连接的锚点结构、用于使所述质量块（100）可沿正交方向振动的解耦连接梁结构以及用于实现角速度检测的梳齿结构；

每块所述质量块（100）均通过所述锚点结构悬挂于所述基底上，四块所述质量块（100）之间通过所述解耦连接梁结构实现连接，所述梳齿结构布置于所述质量块（100）内。

2.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：所述基底呈正方形，以所述基底的中心点为原点建立包含有X轴、Y轴、Z轴的三维空间坐标系，所述X轴、所述Y轴均与所述基底的端面相平行，所述Z轴与所述基底的端面相垂直；

四个所述质量块（100）两两为一组、两组所述质量块（100）分别关于所述X轴与所述Y轴对称设置，四个所述质量块（100）整体关于所述原点呈中心对称。

3.根据权利要求2所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：四个所述质量块（100）的形状一致、均呈等腰梯形，每个所述质量块（100）均包含两个等长的斜边、一个短边及一个长边，四个所述质量块（100）的短边均贴近所述基底的中心点、四个所述质量块（100）的长边均远离所述基底的中心点。

4.根据权利要求3所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：所述锚点结构包括四个设置于所述基底内部中心位置的内锚点（201）以及八个设置于所述基底周圈边缘位置的外锚点（202）；

四个所述内锚点（201）整体关于所述原点呈中心对称，每个所述内锚点（201）与相邻的一个所述内锚点（201）二者关于所述X轴或所述Y轴对称；

八个所述外锚点（202）整体关于所述原点呈中心对称，八个所述外锚点（202）两两为一组、每组所述外锚点（202）分别设置于所述基底上一条边的边缘位置处，每组内的两个所述外锚点（202）二者关于所述X轴或所述Y轴对称。

5.根据权利要求4所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：每个所述内锚点（201）均设置于相邻两个所述质量块（100）之间且贴近所述质量块（100）的短边，每组所述外锚点（202）均与一个所述质量块（100）匹配对应、每组所述外锚点（202）分别贴近一个所述质量块（100）的长边；

每个所述质量块（100）均由两个所述内锚点（201）以及一组所述外锚点（202）支撑、悬挂设置于所述基底上方。

6.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：所述解耦连接梁结构包括多个双向U型梁（001）、四个U型折叠梁（002）以及四个解耦梁（003），在所述解耦连接梁结构的组合连接状态下、四个所述质量块（100）通过所述解耦梁（003）相耦合。

7.根据权利要求6所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：每个所述内锚点（201）均通过两个所述双向U型梁（001）分别连接到两个相邻的所述质量块（100），每个所述外锚点（202）均通过一个所述双向U型梁（001）连接到一个所述质量块（100）；

所述U型折叠梁（002）设置于所述质量块（100）的短边一侧，四个所述U型折叠梁（002）整体关于所述原点呈中心对称，四个所述U型折叠梁（002）两两为一组、每组所述U型折叠梁（002）分别沿所述X轴或所述Y轴设置，每个所述U型折叠梁（002）均连接到同侧的两个连接有所述内锚点（201）及所述质量块（100）的所述双向U型梁（001）；

所述解耦梁（003）设置于所述基底内部中心位置，四个所述解耦梁（003）整体关于所述原点呈中心对称，四个所述解耦梁（003）两两为一组、每组所述解耦梁（003）分别沿所述X轴或所述Y轴设置，四个所述解耦梁（003）的一端均相连接于所述基底的中心点上方、四个所述解耦梁（003）的另一端分别连接至一个所述U型折叠梁（002）的对称中心，每个所述解耦梁（003）均通过一个所述U型折叠梁（002）与两个所述双向U型梁（001）相连接。

8.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：所述梳齿结构包括驱动梳齿（301）、驱动检测梳齿（302）以及检测梳齿（303）；单个所述质量块（100）上的所述梳齿结构关于该所述质量块（100）的中心轴相对称。

9.根据权利要求8所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于：每个所述质量块（100）上每条斜边的边缘位置处均布置有两排所述驱动梳齿（301）、同一所述质量块（100）内布置有共计四排所述驱动梳齿（301），同一所述质量块（100）上同一条斜边的边缘位置处所布置的两排所述驱动梳齿（301）之间预留有间隙；

每个所述质量块（100）上长边的中间边缘位置处分别布置有两排所述驱动检测梳齿（302），两排所述驱动检测梳齿（302）间并排设置；

每个所述质量块（100）上长边的两侧边缘位置处分别布置有一组所述检测梳齿（303），同一所述质量块（100）上的两组所述检测梳齿（303）对称设置，每组所述检测梳齿（303）内均包含有一组双向梳齿以及一组单向梳齿。

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