CN113029121A - Mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS陀螺仪，包括换能器、锚点结构、谐振环和设置于所述谐振环与所述锚点结构之间的若干质量块，所述锚点结构与所述质量块之间通过弹性组件相连接，所述弹性组件能够提供所述质量块沿所述谐振环径向方向的回复力，所述质量块与所述谐振环之间通过第一弹性件相连接，所述第一弹性件能够提供所述谐振环沿所述谐振环周向方向的回复力，使所述谐振环与所述质量块间只发生沿周向方向的相对位移；所述质量块关于所述MEMS陀螺仪的中心呈圆周分布，且所述质量块关于所述中心旋转对称，所述质量块的个数为8的整数倍；所述换能器关于所述中心呈圆周分布，且所述换能器关于所述中心旋转对称，所述换能器的个数为8的整数倍。本发明的MEMS陀螺仪具有更高的机电耦合水平、抗干扰能力以及灵敏度。

Description

MEMS陀螺仪

【技术领域】

本发明涉及陀螺仪技术领域，具体涉及一种MEMS陀螺仪。

【背景技术】

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等应用的核心器件。

采用MEMS(Micro Electro Mechanical systems)技术加工的陀螺仪是MEMS(Micro Electro Mechanical systems)陀螺仪，也叫微机械陀螺仪，其中MEMS固体波动陀螺是被认为最具有高性能潜力的一种陀螺仪，它的主要类型包括MEMS多环陀螺仪和微半球谐振陀螺仪。

MEMS多环环形陀螺仪是MEMS多环陀螺仪中的典型代表。现有技术中的多环环形陀螺仪包括中心锚点和设置于锚点外围的谐振环，在该结构中，换能器通常只能设置于谐振环外侧或谐振环上，换能器的分布空间比较小，降低了陀螺仪的机电耦合水平，导致陀螺的灵敏度难以提升。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种MEMS陀螺仪，拓展换能器的分布空间，提高陀螺的机电耦合水平，以及提高陀螺的灵敏度。

本发明的技术方案如下：

一种MEMS陀螺仪，包括换能器、锚点结构、谐振环和设置于所述谐振环与所述锚点结构之间的若干质量块，所述锚点结构与所述质量块之间通过弹性组件相连接，所述弹性组件能够提供所述质量块沿所述谐振环径向方向的回复力，所述质量块与所述谐振环之间通过第一弹性件相连接，所述第一弹性件能够提供所述谐振环沿所述谐振环周向方向的回复力，使所述谐振环与所述质量块之间发生沿周向方向的相对位移；

所述质量块关于所述MEMS陀螺仪的中心呈圆周分布，且所述质量块关于所述中心旋转对称，所述质量块的个数为8的整数倍；

所述换能器关于所述中心呈圆周分布，且所述换能器关于所述中心旋转对称，所述换能器的个数为8的整数倍。

本发明的有益效果在于：

通过对谐振环增加设置于锚点结构与谐振环之间的质量块，使得单个质量块的形状和体积不受谐振环结构的约束，体积更大，质量更重，能够显著提高陀螺仪的灵敏度，且能与谐振环和锚点结构通过刻蚀一体成型，工艺简便，降低生产成本。

质量块的增加使质量块上、相邻质量块之间、质量块与谐振环之间均可以设置换能器，拓展了换能器的分布空间，能够增大换能器面积，增加换能器数量，降低陀螺仪的驱动电压，提高陀螺仪的机电耦合水平，以及提高陀螺仪的灵敏度。

【附图说明】

图1是本发明一具体实施例的MEMS陀螺仪的结构示意图。

图2是图1所示结构的部分放大结构示意图。

图3是图1所示结构处于驱动模态的受力示意图。

图4是图1所示结构处于检测模态的受力示意图。

图5是本发明另一具体实施例的MEMS陀螺仪的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图，以及结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

参考图1～图5，本发明公开了一种MEMS陀螺仪，包括换能器、锚点结构10、谐振环20和设置于谐振环20与锚点结构10之间的若干质量块30，锚点结构10与质量块30之间通过弹性组件50相连接，弹性组件50能够提供质量块30沿谐振环20径向方向的回复力，质量块30与谐振环20之间通过第一弹性件60相连接，第一弹性件60能够提供谐振环20沿谐振环20周向方向的回复力，使得谐振环20与质量块30之间只发生沿周向方向的相对位移；质量块30关于MEMS陀螺仪的中心呈圆周分布，且所有质量块30构成的结构关于MEMS陀螺仪的中心旋转对称，质量块30的个数为8的整数倍；换能器关于MEMS陀螺仪的中心呈圆周分布，且换能器关于MEMS陀螺仪的中心旋转对称，换能器的个数也为8的整数倍。本发明通过对谐振环20增加质量块30，且该质量块30设置于锚点结构10与谐振环20之间，使得单个质量块30的形状和体积不受谐振环20结构的约束，体积更大，质量更重，能够显著提高陀螺仪的灵敏度，且能与谐振环20和锚点结构10通过刻蚀一体成型，工艺简便，降低生产成本。

旋转对称是指绕MEMS陀螺仪的中心旋转一定角度后得到的结构能够与初始结构重合。

锚点结构10、谐振环20和质量块30均位于同一平面内，换能器用于实现MEMS陀螺仪在上述平面内的机械场(包括机械力、机械位移)与电场的耦合，换能器的形式可以但不限于电容、电感、热电、压电中的一种、两种或两种以上组合。

换能器可以包括设置于谐振环20的远离质量块30的一侧的第一电极组件、设置于谐振环上的第二电极组件、设置于质量块上的第三电极组件、设置于相邻质量块之间的第四电极组件和设置于质量块与谐振环之间的第五电极组件中的一种、两种或两种以上。质量块30的增加拓展了换能器的分布空间，能够增大换能器面积，增加换能器数量，降低陀螺仪的驱动电压，提高陀螺仪的机电耦合水平，以及提高陀螺仪的灵敏度。

参考图1～图4，谐振环20位于质量块30的内侧，锚点结构10位于质量块30的外侧。参考图5，谐振环20还可以位于质量块30的外侧，锚点结构10位于质量块30的内侧。

在一具体实施例中，质量块30包括分别位于(i-1)*45°，i＝1,3,5,7，方位角处的四个第一质量块以及分别位于(i-1)*45°，i＝2,4,6,8，方位角处的四个第二质量块。本申请的MEMS陀螺仪包括驱动模态和检测模态，参考图3，驱动模态为谐振环20沿0°方位角所在的第一方向和沿90°方位角所在的第二方向振动的四波腹四波节的椭圆模态，此时，第一质量块也会发生沿第一方向和第二方向的径向位移，当以驱动模态谐振的陀螺仪有外部角速度Ω输入时，哥氏效应会使谐振环20的驱动模态的振动能量向沿45°方位角所在的第三方向和沿135°方位角所在的第四方向振动的检测模态传递，而激发检测模态，参考图4，这就会造成陀螺椭圆驻波的进动，通过测量该进动角θ就能得出陀螺的外部输入角速度Ω。此时，第二质量块会发生沿第三方向和第四方向的径向位移。

在本具体实施例中，第一质量块的数量应该是4的整数倍，即，第一质量块的个数最少为4，第二质量块的数量应该是4的整数倍，即，第二质量块的个数最少为4，质量块30的数量应该是8的整数倍，即，质量块30的个数最少为8。

优选的，各质量块30应尽量布满锚点结构10和谐振环20之间的空间，以尽可能的增加质量块的重量，提高灵敏度。

优选的，各质量块30关于谐振环20的中心对称，对称性越高，陀螺仪越精确。

参考图1，在一具体实施例中，陀螺仪还具有正交抑制作用，具体的，质量块30还包括位于22.5°+(i-1)*45°，i＝1,2,…,8，方位角处的第三质量块。第三质量块可以使第一质量块的位移保持在第一方向和第二方向，抑制第一质量块偏离第一方向和第二方向的位移，第三质量块还可以使第二质量块的位移保持在第三方向和第四方向，抑制第二质量块偏离第三方向和第四方向的位移，提高角速度的计算质量。

检测精度和灵敏度的提高依赖于结构的稳定性，参考图1和图2，在一具体实施例中，弹性组件50包括靠近锚点结构10的第二弹性件51和靠近谐振环20的第三弹性件52，第二弹性件51和第三弹性件52均固定于锚点结构10，第二弹性件51和第三弹性件52分别从质量块30的沿径向方向的两端支撑质量块，提高质量块30的稳定性，增强对质量块30振动的精确控制。

进一步的，第二弹性件51的数量为2个，两第二弹性件51分别位于质量块30的靠近锚点结构10的一端的两侧；第三弹性件52的数量为2个，两第三弹性件52分别位于质量块30的靠近谐振环20的一端的两侧，如此，第二弹性件51和第三弹性件52分别从质量块30的四个角支撑质量块，进一步提高质量块30的稳定性，能够增强质量块30沿周向方向的刚度，使质量块30仅发生沿径向方向的位移，增强换能器的控制精度。

进一步的，第二弹性件51和第三弹性件52均为沿径向方向延伸的第一梳齿状弹簧，第一梳齿状弹簧在周向方向的宽度远远大于其厚度，提高第一梳齿状弹簧在周向方向的刚度，进一步确保质量块仅发生沿径向方向的位移。

为了充分利用空间和提高质量块30的质量，第一梳齿状弹簧为刻蚀质量块形成。

在一具体实施例中，第一弹性件60为沿周向方向延伸的第二梳齿状弹簧，第二梳齿状弹簧在径向方向的宽度远远大于其厚度，以保证第一弹性件60在径向方向的刚性，使谐振环20与质量块30之间只发生沿周向方向的相对位移。

利用第一梳齿状弹簧和第二梳齿状弹簧进行传动，能够使谐振环20在0°和90°方向的驱动振动以及在45°和135°方向的检测振动相互独立，实现解耦，驱动电极能使谐振环20在最大椭圆模态位移轴振动，提高检测精度、准确度和灵敏度，以及提高了机电耦合程度。

优选的，锚点结构10为内部具有空腔的环形结构。

优选的，锚点结构10的靠近质量块30一侧的形状关于陀螺仪的中心旋转对称。

在本具体实施例中，优选的，锚点结构10的靠近质量块30一侧的形状为圆环形，质量块30为扇环形。此结构的对称性最高，陀螺仪的精确度最高。其他实施例中，锚点结构10的也靠近质量块30一侧的形状也可为其他旋转对称形状，相应的，所有质量块30围设形成旋转对称型结构。

参考图1和图5，在一具体实施例中，换能器可以包括设置于谐振环20的远离质量块30的一侧的第一电极组件，在一具体实施例中，第一电极组件可以包括分别设置于设置于(i-1)*45°，i＝1,3,5,7，方位角处的4个第一电极SA、分别设置于(i-1)*45°，i＝2,4,6,8，方位角处的4个第二电极SB以及分别设置于22.5°+(i-1)*45°，i＝1,2,…,8，方位角处的8个第三电极QA，第一电极SA和第一质量块间隔相对设置，第二电极SB和第二质量块间隔相对设置，第三电极QA和第三质量块间隔相对设置，第一电极SA中至少一个用于驱动谐振环20的振动，至少一个用于检测谐振环的位移，第二电极SB中至少一个用于驱动谐振环20的振动，至少一个用于检测谐振环的位移，第三电极QA中至少一个用于驱动谐振环20的振动，至少一个用于检测谐振环的位移。

在其它实施例中，谐振环20上可以设置第二电极组件，质量块30上可以设置第三电极组件、相邻质量块30之间也可以设置第四电极组件，质量块30与谐振环20之间还可以设置第五电极组件。上述第一电极组件、第二电极组件、第三电极组件、第四电极组件以及第五电极组件可以任意组合使用，只要能驱动和检测谐振环20在各个方向的位移即可。电极的数量越多，机电耦合程度越高，控制精度越高。

在一具体实施例中，第一质量块和第二质量块的第一梳齿状弹簧上可以设置电容电极，利用电容驱动，通过控制第一梳齿状弹簧的间距的变化对第一质量块和第二质量块进行驱动。且梳齿状弹簧能够提高电容驱动的长度，增加了陀螺的驱动电容面积，降低陀螺驱动电压。

在一具体实施例中，谐振环20包括辐条和若干个同轴间隔设置的环形件，任意相邻的两个环形件之间通过辐条连接。

上述各具体实施例的技术方案可以交叉使用。

上述的MEMS陀螺仪可工作于力平衡模式。驱动模态下，换能器驱动谐振环20沿第一方向和第二方向振动；当陀螺仪发生转动时，谐振环20发生进动，即谐振环20的振动方向会偏离之前的第一方向和第二方向，换能器检测偏离的角度即进动角度，控制电路根据进动角度的大小，驱动谐振环20沿第三方向和第四方向振动，达到抑制谐振环20的进动的目的，抑制目标为谐振环20的进动角度为零，此时控制电路的控制量可用于换算陀螺仪的转动角速度。

上述的MEMS陀螺仪还可工作于全角模式下。驱动模态下，换能器驱动谐振环20沿第一方向和第二方向振动；当陀螺仪发生转动时，谐振环20发生进动，换能器直接检测进动角度，并根据进动角度计算陀螺仪的转动角度。

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 (13)

1.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，包括换能器、锚点结构、谐振环和设置于所述谐振环与所述锚点结构之间的若干质量块，所述锚点结构与所述质量块之间通过弹性组件相连接，所述弹性组件能够提供所述质量块沿所述谐振环径向方向的回复力，所述质量块与所述谐振环之间通过第一弹性件相连接，所述第一弹性件能够提供所述谐振环沿所述谐振环周向方向的回复力，使所述谐振环与所述质量块之间发生沿周向方向的相对位移；

所述质量块关于所述MEMS陀螺仪的中心呈圆周分布，且所述质量块关于所述中心旋转对称，所述质量块的个数为8的整数倍；

所述换能器关于所述中心呈圆周分布，且所述换能器关于所述中心旋转对称，所述换能器的个数为8的整数倍。

2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述MEMS陀螺仪工作于全角模式或力平衡模式下。

3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述谐振环位于所述质量块的外侧，所述锚点结构位于所述质量块的内侧；或者所述谐振环位于所述质量块的内侧，所述锚点结构位于所述质量块的外侧。

4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述质量块包括分别位于(i-1)*45°，i＝1,3,5,7，方位角处的四个第一质量块以及分别位于(i-1)*45°，i＝2,4,6,8，方位角处的四个第二质量块。

5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述质量块还包括分别位于22.5°+(i-1)*45°，i＝1,2,…,8，方位角处的八个第三质量块。

6.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述锚点结构为内部具有空腔的环形结构。

7.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述锚点结构的靠近所述质量块一侧的形状关于所述中心旋转对称。

8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述锚点结构的靠近所述质量块一侧的形状为圆环形，所述质量块为扇环形。

9.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述弹性组件包括靠近所述锚点结构的第二弹性件和靠近所述谐振环的第三弹性件，所述第二弹性件和所述第三弹性件均固定于所述锚点结构。

10.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第二弹性件的数量为2个，两所述第二弹性件分别位于所述质量块的靠近所述锚点结构的一端的两侧；所述第三弹性件的数量为2个，两所述第三弹性件分别位于所述质量块的靠近所述谐振环的一端的两侧。

11.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第二弹性件和所述第三弹性件均为沿所述径向方向延伸的第一梳齿状弹簧。

12.根据权利要求11所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一弹性件为沿所述周向方向延伸的第二梳齿状弹簧。

13.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述换能器包括设置于所述谐振环的远离所述质量块的一侧的第一电极组件、设置于所述谐振环上的第二电极组件、设置于所述质量块上的第三电极组件、设置于相邻所述质量块之间的第四电极组件和设置于所述质量块与所述谐振环之间的第五电极组件中的一种、两种或两种以上。

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