CN112710293A - Mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS陀螺仪，包括环形结构以及绕环形结构的中心圆周均匀分布并经第一连接部与环形结构内侧或外侧连接的多个质量块；相邻两个质量块之间通过第二连接部连接，质量块通过弹性结构连接锚点，环形结构为正4N角星，质量块的数量为4N个，其中，N为整数，且N≥2。本发明的MEMS陀螺仪采用多段直线构型的星形，直线构型使星形的边内呈现统一的杨氏模量，最终提升了星形结构的杨氏模量均匀性，可以更好地发挥星形轴对称结构振动的各项同性特点，驱动模态与检测模态具有更小的频率差，拥有更高的灵敏度。而且参与角速度敏感的质量块布满MEMS陀螺仪的非敏感限制区域，可拥有更大的哥氏力，极大提升了芯片的面积使用率，增加了传感器的灵敏度。

Description

MEMS陀螺仪

【技术领域】

本发明属于陀螺仪技术领域，尤其涉及MEMS陀螺仪。

【背景技术】

微机械陀螺仪，即MEMS(Micro Electro Mechanical systems)陀螺仪，是一种典型的角速度微传感器，由于其尺寸小、功耗低和加工方便等优势在消费电子市场有着非常广泛的应用。近年来随着MEMS陀螺仪性能的逐步提升，广泛应用于汽车、工业、虚拟现实等领域。

MEMS陀螺仪可分为线振动音叉型陀螺仪和圆盘形陀螺仪两类，其中，圆盘形陀螺仪的驱动模态振型和检测模态振型简并,灵敏度高，且结构简单，逐步成为实用较为广泛的高性能陀螺仪。但是，圆盘形陀螺仪受限于结构和空间布局，一些区域(特别是锚点以及靠近锚点振动小的区域)并未参与振动和敏感，芯片面积使用率低，而且偏置稳定性不高，影响其检测性能。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种MEMS陀螺仪，能够提高芯片区域的面积使用率，增加灵敏度，提高偏置稳定性，提升其检测性能，降低机械噪声。

本发明的技术方案如下：提供一种MEMS陀螺仪，包括环形结构以及绕所述环形结构的中心圆周均匀分布并经第一连接部与所述环形结构内侧或外侧连接的多个质量块；相邻两个所述质量块之间通过第二连接部连接，所述质量块通过弹性结构连接锚点，所述环形结构为正4N角星，所述质量块的数量为4N个，其中，N为整数，且N≥2。

优选地，所述质量块邻近所述环形结构的端部呈W字形，所述第一连接部的一端连接于所述端部的中部，另一端连接于所述环形结构的一个顶点。

优选地，还包括若干换能器，所述若干换能器绕所述环形结构的中心圆周均匀分布于所述环形结构的环间或环外。

优选地，所述第一换能器设有4N个且每个所述第一换能器呈与所述环形结构相适配的W字形结构，所述第一换能器设于所述环形结构外侧并与所述质量块一一对应。

优选地，所述质量块的内部或侧部开设有收容孔，所述锚点通过所述弹性结构设于所述收容孔中。

优选地，所述弹性结构包括运动解耦块以及弹力臂，所述运动解耦块和所述收容孔内壁之间以及运动解耦块和所述锚点之间均通过所述弹力臂连接。

优选地，所述环形结构包括辐条和多个依次间隔套设并为正4N角星的环形件，所述质量块通过所述第一连接部与最内侧或最外侧的环形件连接，相邻的两个所述环形件之间通过所述辐条连接。

优选地，相邻两个所述环形件之间设有4N个所述辐条，4N个所述辐条环绕所述环形结构的中心圆周阵列分布。

优选地，所述环形结构、质量块、锚点、第一连接部以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：通过采用星形的环形结构并于环形结构内部或外部布置辐射状的质量块，从而利用其结构对称布局，一方面使结构的驱动模态与检测模态振形相同，形成模态简并，满足高性能陀螺的基础；另一方面，将传统周向连续的环形，采用多段直线构型的星形，直线构型使星形的边内呈现统一的杨氏模量，最终提升了陀螺结构内的杨氏模量均匀性，可以更好地发挥轴对称结构振动的各项同性特点，驱动模态与检测模态具有更小的频率差，拥有更高的灵敏度。

而且质量块布满MEMS陀螺仪的中心区域，即旧有陀螺仪中原本闲置的锚点区域，从而替换了旧有陀螺仪无位移的振动区域，又由于质量块间通过第二连接件相互关联，构成线振动音叉陀螺，质量块均参与角速度敏感，因而闲置区域被有效利用。另外利用线振动音叉陀螺平动特点，质量块具有较大位移的同时，通过第一连接件与质量块连接的星形结构位移被进一步增大。因此本实施例的驱动模态与检测模态拥有更大的模态质量，可降低MEMS谐振器的机械噪声，有利于传感器的偏置稳定性；同时可拥有更大的哥氏力，极大提升了芯片的面积使用率，增加了传感器的灵敏度。

【附图说明】

图1为本发明实施例一公开的MEMS陀螺仪平面结构示意图；

图2为本发明实施例一的驱动模态仿真示意图；

图3为本发明实施例一的检测模态仿真示意图；

图4为本发明实施例一MEMS陀螺仪与传统圆环形陀螺的杨氏模量分布对比表；

图5本发明实施例一MEMS陀螺仪与传统圆环形陀螺的归一化位移对比示意图；

图6为本发明实施例一MEMS陀螺仪与传统圆环形陀螺的归一化位移对比表；

图7本发明实施例一MEMS陀螺仪与传统圆环形陀螺的位移对比示意图；

图8为本发明实施例一中相邻两个质量块以及环形结构的相互连接结构示意图；

图9为图8中C部分的放大图；

图10为本发明实施例二公开的MEMS陀螺仪平面结构示意图。

【具体实施方式】

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一：

请参阅图1所示，本发明的实施例一公开了一种MEMS陀螺仪，其包括环形结构10以及绕环形结构10的中心圆周均匀分布并经第一连接部30与环形结构10内侧或外侧连接的多个质量块20，本实施例以质量块20设于环形结构10内侧为例进行说明；相邻两个质量块20之间通过第二连接部50连接，质量块20通过弹性结构连接有一锚点60，环形结构10为正4N角星，质量块20的数量为4N个，其中，N为整数，且N≥2。在本实施例中，以N＝2进行举例说明，即质量块20的数量为8个，环形结构10为正16角星结构；较佳地，环形结构10、质量块20、锚点60、第一连接部30以及第二连接部50由半导体材料一体刻蚀成型，具有采用单晶硅材料。

具体地，MEMS陀螺仪包括若干换能器，若干换能器绕环形结构10的中心圆周均匀分布于环形结构10的环间或环外；其中，换能器包括多个围绕在环形结构10之外的第一换能器40，第一换能器40包括电容换能器、电感换能器、热电换能器、压电换能器中的任意一种或任意多种的组合；第一换能器40包括驱动环形结构10沿相互垂直的第一方向和第二方向振动的第一驱动换能器41、以及检测环形结构10沿相互垂直的第三方向和第四方向振动的第一检测换能器42，在本实施例中，以第一方向为X轴方向、第二方向为Y轴方向进行举例说明，但不局限于第一方向仅为X轴方向、第二方向仅为Y轴方向，如图1所示，第三方向为图中O所示方向，第四方向为P所示方向，且第一方向和第三方向的夹角呈45度。

MEMS陀螺仪使用时，所应用的物体在静止情况下，MEMS陀螺仪仅受到第一驱动换能器41提供的驱动力作用下，环形结构10沿第一方向X和第二方向Y振动，其驱动模态仿真图如图2所示；而当所应用的物体发生转动情况下，根据哥氏原理MEMS陀螺仪产生沿第三方向O和第四方向P的哥氏力合力，会迫使环形结构10沿与第三方向O和第四方向P振动，其检测模态仿真图如图3所示。第一检测换能器42通过检测环形结构10在第三方向O和第四方向P的位移，经过运算处理即可获得所应用物体转动角速度的大小。

本实施例的MEMS陀螺仪通过设置环形结构10为正4N角星，从而利用其结构对称布局，一方面使结构的驱动模态与检测模态振形相同，形成模态简并，如图2和图3所示，符合哥氏效应原理，且满足陀螺仪高性能的基础条件；另一方面，将传统周向连续的环形，采用多段直线构型的星形，直线构型使星形的边内呈现统一的杨氏模量，如图4所示，本实施例在单晶硅<100>晶相上实现，传统圆环形结构陀螺仪A的驱动模态与检测模态的各处微单元的杨氏模量分布图重合度为0％，而本实施例所采用的星型结构陀螺仪B的驱动模态与检测模态的各处微单元的杨氏模量分布图重合度50％，最终提升了星形结构的杨氏模量分布的均匀性，可以更好地发挥星形轴对称结构振动的各项同性特点，具体地，本实施例的驱动模态与检测模态的模态频率f表示为：

其中：

式中：ω——模态角频率；K——模态刚度；K_i——微单元刚度；M——模态质量；E_i——微单元杨氏模量；H_i——微单元的厚度；w_i——微单元的宽度；L_i——微单元的长度；

需要说明的是，本实施例与传统Disc陀螺的驱动模态与检测模态结构上完全相同，即陀螺仪结构每个微单元的H_i，w_i，L_i相同，但是相较传统Disc陀螺，本实施例的MEMS陀螺仪具有更为对称的杨氏模量分布，因此新方案的驱动模态与检测模态频率差更小，即本实施例的MEMS陀螺仪拥有更高的灵敏度。质量块20之间通过第二连接部50关联，构成了线振动的音叉陀螺，参与角速度敏感，环形结构10和质量块20之间通过第一连接部30关联，构成了与音叉陀螺相连的星形陀螺；通过将星形陀螺和音叉陀螺采用共形的驱动模态与检测模态，线振动音叉陀螺驱动模态与检测模态的运动解耦，可以降低非运动质量块20的位移，降低正交误差，有利于传感器的偏置稳定性；运动质量块20导向呈现单方向位移，且非运动质量块20基本无位移，利于音叉陀螺的位移检测。

另外，本实施例的驱动模态质量Md以及检测模态质量Ms可以表示为：

而检测模态的MEMS机械噪声等效角速度Ωn可以表示为：

式中：ρ——密度，S_i——微单元速度，S_max——结构最大速度，V——结构体积；Kb——玻尔兹曼常数，T——温度，Q——模态品质，ω——模态角频率；因此，本实施例的陀螺仪具有更大的模态质量以及更小的噪音输出，有利于传感器的偏置稳定性。

结合图5和图6所示，本实施例的星型结构陀螺仪B与传统圆环形结构陀螺仪A的归一化位移对比示意图以及对比表，由于本实施例中的质量块20布满了陀螺仪的中心区域，即X坐标较小的位置或旧有陀螺仪中原本闲置的锚点区域，从而替换了旧有陀螺仪小位移或无位移的振动区域，因此质量块20相比传统圆环形结构陀螺仪对应区域拥有更大的位移，即使靠近陀螺仪的中心部分也拥有位移量，从而使陀螺仪具有更大的模态质量。

结合图7所示，本实施例的MEMS陀螺仪由于星形陀螺和音叉陀螺采用若干质量块20与环形结构10间通过连接部关联耦合，形成多级耦合的驱动模态与检测模态，如此可增强传感器的最大位移，提升了哥氏力大小，提升了陀螺灵敏度，进一步有利于传感器的偏置稳定性。

作为本实施例的一种改进方式，如图8和图9所示，质量块20邻近环形结构10的端部21呈W字形，第一连接部30的一端连接于该端部21的中部，另一端连接于环形结构10的一个顶点。具体地，在本实施例中，每一质量块20大致呈扇形结构，且在静止的情况下，8个质量块20在环形结构10所围成的区域形成镶嵌结构，共同组合成一个16角星，从而与环形结构10相适配，质量块20临近环形结构10的端部21中部即为其中一个角部，该角部开设有第一连接缺口22，第一连接部30包括连接于该第一连接缺口22相对两侧壁的U型连接臂31、以及一端连接于U型连接臂31中部且另一端连接于环形结构10的连接条32，并且U型连接臂31的开口朝向连接条32方向；如此实现质量块20与环形结构10之间为弹性连接方式，从而使质量块20和环形结构10可以在保证连接稳定性的条件下产生相对位移，提高灵敏性。

并且质量块20布满MEMS陀螺仪的内部中心区域或者外部，即旧有陀螺仪中原本闲置的锚点区域，从而替换了旧有陀螺仪小位移或无位移的振动区域，由于本实施例质量块20构成的线振动音叉陀螺平动的特点，质量块20同时拥有大位移；因此本实施例的驱动模态与检测模态拥有更大的模态质量与位移，可降低MEMS谐振器的机械噪声，有利于传感器的偏置稳定性；同时可拥有更大的哥氏力，极大提升了芯片的面积使用率，增加了传感器的灵敏度。

作为本实施例的一种改进方式，第一换能器40设有4N个且每个第一换能器40呈与环形结构10相适配的W字形结构，第一换能器40设于环形结构10外侧并与质量块20一一对应。在本实施例中，第一换能器40的数量为8个，即其中4个为第一驱动换能器41，另外4个为第一检测换能器42，第一驱动换能器41和第一检测换能器42相互间隔交错的设于环形结构10外侧，且4个第一驱动换能器41位于环形结构10的正交四角方位上。

进一步地，MEMS陀螺仪的换能器还可以包括一一对应设于质量块20中的多个第二换能器70，第二换能器70位于锚点60与环形结构10之间，且多个第二换能器70绕环形结构10的中心圆周均匀分布。可提高陀螺仪的驱动力以及检测的准确性。第二换能器70包括电容换能器、电感换能器、热电换能器、压电换能器中的任意一种或任意多种的组合。

作为本实施例的一种改进方式，如图8所示，质量块20的内部或侧部开设有收容孔24，锚点60通过弹性结构80设于收容孔24中。较佳地，弹性结构80包括运动解耦块81以及弹力臂82，运动解耦块81和收容孔24内壁之间以及运动解耦块81和锚点60之间均通过弹力臂82连接。需要说明的是，运动解耦块81呈T型，其竖直部的两侧分别通过U型的弹力臂82与质量块20连接，横向部的两端分别通过U型的弹力臂82连接于锚点60的两侧；如此，可以通过弹性结构80在保证质量块20与锚点60之间连接稳定性的基础上，使质量块20和锚点60之间能够产生相对位移，使质量块20和锚点60之间可以获得较大的相对位移范围。

另外，质量块20的两侧可分别设置第二连接缺口25，第二连接部50的两端分别位于相邻两个质量块20的第二连接缺口25中，并分别通过S型的弯折部51与两个质量块20连接，从而通过第二连接部50可以保证相邻质量块20之间的连接稳定性，并且使相邻质量块20之间可以在一定范围内产生相对位移。

作为本实施例的一种改进方式，环形结构10包括辐条11和多个依次间隔套设并为正4N角星的环形件12，质量块20通过第一连接部30与最内侧的环形件12连接，相邻的两个环形件12之间通过辐条11连接。在本实施例中，环形件12为16角星的结构，相邻两个环形件12之间设有8个辐条11，8个辐条11环绕环形结构10的中心圆周阵列分布，辐条11的一端连接一个环形件12的顶点、另一端连接另一个环形件12的顶点。

实施例二

如图10所示，本实施例公开的MEMS陀螺仪与实施例一公开的MEMS陀螺仪不同之处在于，本实施例中N取3，即质量块20具有12块。在一些实施例中，N可以取4、5、6或以上数字，从而使质量块20达到16、20、24块或以上的数量。

以上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 (9)

1.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，包括环形结构以及绕所述环形结构的中心圆周均匀分布并经第一连接部与所述环形结构内侧或外侧连接的多个质量块；相邻两个所述质量块之间通过第二连接部连接，所述质量块通过弹性结构连接锚点，所述环形结构为正4N角星，所述质量块的数量为4N个，其中，N为整数，且N≥2。

2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述质量块邻近所述环形结构的端部呈W字形，所述第一连接部的一端连接于所述端部的中部，另一端连接于所述环形结构的一个顶点。

3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，还包括若干换能器，所述若干换能器绕所述环形结构的中心圆周均匀分布于所述环形结构的环间或环外。

4.根据权利要求3所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述换能器设有4N个。

5.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述质量块的内部或侧部开设有收容孔，所述锚点通过所述弹性结构设于所述收容孔中。

6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述弹性结构包括运动解耦块以及弹力臂，所述运动解耦块和所述收容孔内壁之间以及运动解耦块和所述锚点之间均通过所述弹力臂连接。

7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述环形结构包括辐条和多个依次间隔套设并为正4N角星的环形件，所述质量块通过所述第一连接部与最内侧或最外侧的环形件连接，相邻的两个所述环形件之间通过所述辐条连接。

8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，相邻两个所述环形件之间设有4N个所述辐条，4N个所述辐条环绕所述环形结构的中心圆周阵列分布。

9.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述环形结构、质量块、锚点、第一连接部以及第二连接部由半导体材料一体刻蚀成型。

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