CN113418517A - 陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了陀螺仪，陀螺仪包括基底；谐振器，悬置于基底上，谐振器包括谐振梁以及均呈圆环状的外谐振器、内谐振器及中谐振器，中谐振器套设于内谐振器的外侧，外谐振器套设于中谐振器的外侧，中谐振器包括沿内谐振器的周向均匀分布的8N个谐振单元，谐振梁分为连接谐振单元和外谐振器的第一谐振梁以及连接内谐振器和谐振单元的第二谐振梁，其中，N为正整数；锚点，固定于基底并与谐振单元之间机械场耦合；电极组件，固定于基底并与谐振器电场耦合以驱动谐振器沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并检测谐振器沿与第一方向的夹角呈45度方向或与第一方向的夹角呈135度方向的振动位移。

Description

陀螺仪

【技术领域】

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种陀螺仪。

【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。

相关技术中的陀螺仪由于受结构和空间的限制，其在驱动/检测灵敏度上依然存在不足。

因而，有必要提供一种新的陀螺仪以解决上述的问题。

【发明内容】

本发明的目的公开一种陀螺仪，该陀螺仪可以提高驱动/检测灵敏度。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种陀螺仪，所述陀螺仪包括：

基底；

谐振器，悬置于所述基底上，所述谐振器包括谐振梁以及均呈圆环状的外谐振器、内谐振器及中谐振器，所述中谐振器套设于所述内谐振器的外侧，所述外谐振器套设于所述中谐振器的外侧，所述中谐振器包括沿所述内谐振器的周向均匀分布的8N个谐振单元，所述谐振梁分为连接所述谐振单元和所述外谐振器的第一谐振梁以及连接所述内谐振器和所述谐振单元的第二谐振梁，其中，N为正整数，所述谐振梁在所述内谐振器径向上可发生弹性形变；

锚点，固定于所述基底并与所述谐振单元之间机械场耦合；

电极组件，固定于所述基底并与所述谐振器电场耦合以驱动所述谐振器沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并检测所述谐振器沿与所述第一方向的夹角呈45度方向或与所述第一方向的夹角呈135度方向的振动位移。

优选地，所述锚点与所述谐振单元之间连接有锚接梁，所述锚接梁在所述内谐振器的径向方向上可发生弹性形变，且约束所述谐振单元沿其周向运动。

优选地，所述锚点沿所述内谐振器的周向方向的两相对侧均设有所述锚接梁。

优选地，所述锚点和所述谐振单元之间设有环绕所述锚点设置的解耦结构，所述解耦结构包括第一部分和第二部分，所述锚点沿所述谐振单元的周向方向的两相对侧均设有所述第一部分，所述锚点沿所述谐振单元的径向方向的两相对侧均设有所述第二部分，所述第一部分与所述锚点之间连接有第一耦接梁，所述第二部分与所述谐振单元之间连接有第二耦接梁，其中，所述第一耦接梁仅在所述内谐振器的径向方向上可发生弹性形变，所述第二耦接梁仅在所述内谐振器的周向方向上可发生弹性形变，其中，相邻两所述谐振单元之间连接有连接梁，所述连接梁在所述内谐振器径向上可发生弹性形变，且约束所述谐振单元沿所述内谐振器的周向运动。

优选地，所述谐振单元包括沿所述内谐振器径向上间隔设置的第一谐振单元和第二谐振单元，所述锚点设于所述第一谐振单元和所述第二谐振单元之间，所述连接梁还机械耦合所述第一谐振单元和所述第二谐振单元，其中，所述第一谐振梁连接所述第一谐振单元和所述外谐振器，所述第二谐振梁连接所述内谐振器和所述第二谐振单元，所述第一谐振单元与所述第二部分之间以及所述第二谐振单元与所述第二部分之间均连接有所述第二耦接梁。

优选地，所述电极组件包括：

第一电极，固定于所述基底上并位于所述外谐振器的外周，所述第一电极与所述外谐振器电场耦合；

第二电极，固定于所述基底上并位于所述内谐振器的内周，所述第二电极与所述内谐振器电场耦合；

其中，所述第一电极用于驱动所述外谐振器沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并用于检测所述外谐振器沿与所述第一方向的夹角呈45度方向或与所述第一方向的夹角呈135度方向的振动，所述第二电极用于驱动所述内谐振器沿相互垂直的所述第一方向和所述第二方向振动，且所述第二电极用于检测所述内谐振器沿与所述第一方向的夹角呈45度方向或与所述第一方向的夹角呈135度方向的振动。

优选地，所述中谐振器与所述外谐振器和所述内谐振器的运动方向一致，所述电极组件包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设于所述锚点沿所述内谐振器径向方向的相对两侧，其中，所述谐振单元上形成有第一梳齿部，所述第一电极和所述第二电极上均形成有第二梳齿部，所述第一梳齿部的梳齿和所述第二梳齿部的梳齿相互交错插设并相互间隔形成电容。

优选地，所述外谐振器与所述内谐振器异步振动。

所述谐振单元包括沿所述内谐振器径向上间隔设置的第一谐振单元和第二谐振单元，所述连接梁还机械耦合所述第一谐振单元和所述第二谐振单元，且所述连接梁在所述内谐振器径向上可发生弹性形变，其中，所述第一谐振梁连接所述第一谐振单元和所述外谐振器，所述第二谐振梁连接所述内谐振器和所述第二谐振单元。

本发明相对于相关技术而言，通过将谐振器设置成包括谐振梁以及均呈圆环状的外谐振器、内谐振器及中谐振器，且中谐振器套设于内谐振器的外侧，外谐振器套设于中谐振器的外侧，并将中谐振器设置成包括沿内谐振器的周向均匀分布的8N个谐振单元，谐振梁分为连接谐振单元和外谐振器的第一谐振梁以及连接内谐振器和谐振单元的第二谐振梁，锚点与谐振单元之间机械耦合，从而可以通过谐振器谐振频率设计使得中谐振器在较小位移下，获得外谐振器和内谐振器较大的位移输出，并实现外谐振器和内谐振器双差分，以达到极大的提高驱动/检测灵敏度的目的。

【附图说明】

图1为本发明提供的陀螺仪实施例一的剖视图；

图2为图1所示陀螺仪中部分结构的立体图；

图3为图2所示部分结构中A部分的放大图；

图4为本发明提供的陀螺仪实施例二的结构示意图；

图5为图4所示陀螺仪中B部分的放大图；

图6为图5所示陀螺仪中谐振单元和第二电极的结构示意图；

图7为本发明提供的陀螺仪实施例三的部分结构的结构示意图；

图8为7所示部分结构中C部分的放大图；

图9为本发明提供的陀螺仪实施例四的部分结构的结构示意图。

【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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明公开了一种陀螺仪，其可用于电子产品内以检测电子产品的角速度。

实施例一

请结合参阅图1至图3，陀螺仪100包括基底1、悬置于所述基底1上的谐振器2以及固定于所述基底1的锚点3和电极组件4。

所述谐振器2包括谐振梁21以及均呈圆环状的外谐振器22、内谐振器23及中谐振器24，所述中谐振器24套设于所述内谐振器23的外侧，所述外谐振器22套设于所述中谐振器24的外侧。

所述中谐振器24包括沿所述内谐振器23的周向均匀分布的8N个谐振单元241，所述谐振梁21分为连接所述谐振单元241和所述外谐振器22的第一谐振梁21A以及连接所述内谐振器23和所述谐振单元241的第二谐振梁21B。其中，N为正整数，所述谐振梁21在所述内谐振器23径向上可发生弹性形变。如图2所示，所述谐振单元241设有8个，即N等于1。可以理解的是，在其他实施方式中，所述谐振单元也可以设置成有16或24或32个等，即N等于2或3或4。

所述锚点3与所述谐振单元241之间机械场耦合。

在本实施例中，所述锚点3与所述谐振单元241之间连接有锚接梁5，所述锚接梁5在所述内谐振器23的径向方向上可发生弹性形变，且约束所述谐振单元241沿其周向运动(即在所述谐振单元241的周向方向上，所述锚接梁5的刚度极大)。如图所示，仅沿所述内谐振器23的周向方向的两相对侧设置有两个所述锚接梁5。

如图1所示，所述电极组件4与所述外谐振器22及所述内谐振器23中的至少一个形成电容，以驱动所述谐振器2沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并检测所述谐振器2沿与所述第一方向的夹角呈45度方向D或与所述第一方向的夹角呈135度方向M的振动位移。

所述电极组件4包括第一电极41和第二电极43。

所述第一电极41固定于所述基底1上并位于所述外谐振器22的外周，且所述第一电极41与所述外谐振器22机械场耦合。

所述第二电极43固定于所述基底1上并位于所述内谐振器23的内周，且所述第二电极43与所述内谐振器23机械场耦合。

其中，所述第一电极41用于驱动所述外谐振器22沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并用于检测所述外谐振器22沿与所述第一方向的夹角呈45度方向D或与所述第一方向的夹角呈135度方向M的振动，所述第二电极43用于驱动所述内谐振器23沿相互垂直的所述第一方向和所述第二方向振动，且所述第二电极43用于检测所述内谐振器23沿与所述第一方向的夹角呈45度方向D或与所述第一方向的夹角呈135度方向M的振动。

在本实施方式中，所述外谐振器22和所述内谐振器23异步振动。从而可以实现内、外谐振器双差分输出以极大提高驱动/检测灵敏度。

在本实施方式中，以如图2所示X轴方向为第一方向、Y轴方向为第二方向为例进行说明，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。

在本实施例中，所述谐振梁21和所述锚接梁5在所述内谐振器23径向上可发生弹性形变以使得所述谐振器2可沿相互垂直的第一方向和第二方向振动以及沿与所述第一方向的夹角呈45度方向D或与所述第一方向的夹角呈135度方向M的振动，且所述锚接梁5约束所述谐振单元241沿所述内谐振器23的周向运动。换而言之，所述谐振梁21和所述锚接梁5在所述内谐振器23径向上具有较小的刚度，而在所述内谐振器23的周向上的刚度极大。

实施例二

请结合参阅图4至图6，实施例二与实施例一的区别仅在于：当所述中谐振器24与所述外谐振器22和所述内谐振器23的运动方向设计为一致时，所述电极组件4'包括第一电极41'和第二电极43'，所述第一电极41'和所述第二电极43'分别设于所述锚点3沿所述内谐振器23径向方向的相对两侧，其中，所述谐振单元241上形成有第一梳齿部24C，所述第一电极41'和所述第二电极43'上均形成有第二梳齿部24D，所述第一梳齿部24C的梳齿和所述第二梳齿部24D的梳齿相互交错插设并相互间隔形成电容。从而可以利用可变面积梳齿来实现电极组件与谐振器的电场耦合，以进一步提高了驱动、检测电容量；工作模态下，对于敏感方向的所述中谐振器24，所述谐振梁21处于扭摆状态，可实现内外谐振器运动的解耦。

实施例三

请参阅图7和图8，实施例三与实施例一的区别仅在于：

所述锚点3和所述谐振单元241之间设有环绕所述锚点3设置的解耦结构6。

所述解耦结构6包括第一部分61和第二部分63，所述锚点3沿所述谐振单元241的周向方向的两相对侧均设有所述第一部分61，所述锚点3沿所述谐振单元241的径向方向的两相对侧均设有所述第二部分63，所述第一部分61与所述锚点3之间连接有第一耦接梁5A，所述第二部分63与所述谐振单元241之间连接有第二耦接梁5B，其中，所述第一耦接梁5A仅在所述内谐振器23的径向方向上可发生弹性形变，所述第二耦接梁5B仅在所述内谐振器23的周向方向上可发生弹性形变。

相邻两所述谐振单元241之间连接有连接梁7，所述连接梁7在所述内谐振器23径向上可发生弹性形变，且约束所述谐振单元241沿所述内谐振器23的周向运动(换而言之，所述连接梁7在所述内谐振器23径向上具有较小的刚度，而在所述内谐振器23的周向上的刚度极大)。

相较于实施例一，实施例三的陀螺仪增加了所述中谐振器24在其径向和周向方向上运动的自由度，从而提升了结构的哥氏耦合系数和机械灵敏度，而且还可以实现内外分布式环的差分输出。

实施例四

请参阅图9，实施例四与实施例三的区别仅在于：所述谐振单元241包括沿所述内谐振器23径向上间隔设置的第一谐振单元243和第二谐振单元245，所述连接梁7还机械耦合所述第一谐振单元243和所述第二谐振单元245，且所述连接梁7在所述内谐振器23径向上可发生弹性形变。其中，所述第一谐振梁21A连接所述第一谐振单元243和所述外谐振器22，所述第二谐振梁21B连接所述内谐振器23和所述第二谐振单元245，所述第一谐振单元243与所述第二部分63之间以及所述第二谐振单元245与所述第二部分63之间均连接有所述第二耦接梁5B。

相较于实施例三，实施例四的陀螺仪较容易实现了所述中谐振器24与所述内谐振器23和所述外谐振器22运动方向的统一。同时，谐振单元241也具有科氏力转化作用，从而进一步提升了结构的哥氏耦合系数和机械灵敏度。

需要说明的是，实施例三和实施例四，也可以采用实施例二的电极组件；在其他实施例中电极组件的设置方式并不局限于此，例如，电极组件还可以布置在解耦结构上。

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 (8)

1.一种陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括：

基底；

谐振器，悬置于所述基底上，所述谐振器包括谐振梁以及均呈圆环状的外谐振器、内谐振器及中谐振器，所述中谐振器套设于所述内谐振器的外侧，所述外谐振器套设于所述中谐振器的外侧，所述中谐振器包括沿所述内谐振器的周向均匀分布的8N个谐振单元，所述谐振梁分为连接所述谐振单元和所述外谐振器的第一谐振梁以及连接所述内谐振器和所述谐振单元的第二谐振梁，其中，N为正整数，所述谐振梁在所述内谐振器径向上可发生弹性形变；

锚点，固定于所述基底并与所述谐振单元之间机械场耦合；

电极组件，固定于所述基底并与所述谐振器电场耦合以驱动所述谐振器沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并检测所述谐振器沿与所述第一方向的夹角呈45度方向或与所述第一方向的夹角呈135度方向的振动位移。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述锚点与所述谐振单元之间连接有锚接梁，所述锚接梁在所述内谐振器的径向方向上可发生弹性形变，且约束所述谐振单元沿其周向运动。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，所述锚点沿所述内谐振器的周向方向的两相对侧均设有所述锚接梁。

4.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述锚点和所述谐振单元之间设有环绕所述锚点设置的解耦结构，所述解耦结构包括第一部分和第二部分，所述锚点沿所述谐振单元的周向方向的两相对侧均设有所述第一部分，所述锚点沿所述谐振单元的径向方向的两相对侧均设有所述第二部分，所述第一部分与所述锚点之间连接有第一耦接梁，所述第二部分与所述谐振单元之间连接有第二耦接梁，其中，所述第一耦接梁仅在所述内谐振器的径向方向上可发生弹性形变，所述第二耦接梁仅在所述内谐振器的周向方向上可发生弹性形变，其中，相邻两所述谐振单元之间连接有连接梁，所述连接梁在所述内谐振器径向上可发生弹性形变，且约束所述谐振单元沿所述内谐振器的周向运动。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪，其特征在于，所述谐振单元包括沿所述内谐振器径向上间隔设置的第一谐振单元和第二谐振单元，所述锚点设于所述第一谐振单元和所述第二谐振单元之间，所述连接梁还机械耦合所述第一谐振单元和所述第二谐振单元，其中，所述第一谐振梁连接所述第一谐振单元和所述外谐振器，所述第二谐振梁连接所述内谐振器和所述第二谐振单元，所述第一谐振单元与所述第二部分之间以及所述第二谐振单元与所述第二部分之间均连接有所述第二耦接梁。

6.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述电极组件包括：

第一电极，固定于所述基底上并位于所述外谐振器的外周，所述第一电极与所述外谐振器电场耦合；

第二电极，固定于所述基底上并位于所述内谐振器的内周，所述第二电极与所述内谐振器电场耦合；

其中，所述第一电极用于驱动所述外谐振器沿相互垂直的第一方向和第二方向振动，并用于检测所述外谐振器沿与所述第一方向的夹角呈45度方向或与所述第一方向的夹角呈135度方向的振动，所述第二电极用于驱动所述内谐振器沿相互垂直的所述第一方向和所述第二方向振动，且所述第二电极用于检测所述内谐振器沿与所述第一方向的夹角呈45度方向或与所述第一方向的夹角呈135度方向的振动。

7.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述中谐振器与所述外谐振器和所述内谐振器的运动方向一致，所述电极组件包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设于所述锚点沿所述内谐振器径向方向的相对两侧，其中，所述谐振单元上形成有第一梳齿部，所述第一电极和所述第二电极上均形成有第二梳齿部，所述第一梳齿部的梳齿和所述第二梳齿部的梳齿相互交错插设并相互间隔形成电容。

8.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述外谐振器与所述内谐振器异步振动。

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