CN113899353B - 陀螺仪和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种陀螺仪和电子设备，电子设备可以包括手机、电脑、手持计算机、对讲机、可穿戴设备、虚拟现实设备、蓝牙音响/耳机、或车载前装等拍摄的移动或固定终端，通过陀螺仪包括衬底，第一外框架以及分别与第一外框架相连的驱动结构和检测结构，驱动结构位于第一外框架内，包括相对于第一外框架的中心轴对称的两部分，检测结构包括位于第一外框架两侧的两部分，驱动结构和检测结构均与衬底相连。这样，该陀螺仪的驱动结构的力臂和力矩误差较小，降低了陀螺仪的输出误差，提高了陀螺仪的灵敏度，同时还提高了陀螺仪的振动性能和适应性能。

Description

陀螺仪和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种陀螺仪和电子设备。

背景技术

微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。

现有技术中，MEMS陀螺仪主要包括掺杂硅或者玻璃的衬底层和连接在衬底层上的器件层，该器件层包括两个子结构、工字型框架、扭杆、多折梁和隔离结构，两个子结构对称布置在工字型框架内，并通过驱动梁与工字型框架相连，子结构包括检测结构和驱动结构，检测结构与驱动结构之间通过检测支撑梁连接，工字型框架通过扭杆和多折梁与隔离结构相连，然后该隔离结构通过设置在隔离结构上的锚点与下面的衬底层上的固定基座键合。

然而，上述MEMS陀螺仪中的驱动结构布置在器件层结构的上下两侧，上下两部分的驱动结构中的驱动梳齿之间会产生较大的力臂和力矩误差，从而导致该MEMS陀螺仪容易产生较大的检测误差。

发明内容

本申请提供一种陀螺仪和电子设备，该陀螺仪的驱动结构中的驱动梳齿之间的力臂和力矩误差较小，降低了输出误差，提高了陀螺仪的灵敏度，同时还提高了陀螺仪的振动性能和适应性能。

本申请第一方面提供一种陀螺仪，包括：衬底、第一外框架以及分别与所述第一外框架相连的驱动结构和检测结构；所述驱动结构位于所述第一外框架内，所述驱动结构包括相对于所述第一外框架的中心轴对称的两部分，所述检测结构包括位于所述第一外框架两侧的两部分；所述驱动结构和所述检测结构均与所述衬底相连。

本申请提供的陀螺仪，通过将驱动结构布置在陀螺结构的中间，使该陀螺仪的驱动结构中的驱动梳齿之间的力臂和力矩误差较小，降低了输出误差，提高了陀螺仪的灵敏度，同时还提高了陀螺仪的振动性能和适应性能。同时，由于不同的检测结构同时布置在第一外框架上，这样使得不同的检测结构连接在一起，在检测结构运动时，能够确保检测梳齿运动的同步性。

在一种可能的实现方式中，所述检测结构沿着第一方向位于所述第一外框架的两侧，所述第一方向与所述中心轴的延伸方向垂直；或者，

所述检测结构沿着第二方向位于所述第一外框架的两侧，所述第二方向与所述中心轴的延伸方向平行。

在一种可能的实现方式中，所述检测结构位于所述第一外框架两侧的两部分中的每一部分均包括至少一个子检测结构，每个所述子检测结构包括：检测电极和第二外框架；所述第二外框架与所述第一外框架固定连接，所述检测电极的一端与所述衬底电连接，所述检测电极的另一端悬空。

在一种可能的实现方式中，所述检测电极上具有多个固定检测梳齿，所述第二外框架的内边缘具有多个活动检测梳齿，多个所述固定检测梳齿背离所述检测电极的一端和多个所述活动检测梳齿背离所述第二外框架的内边缘的一端悬空，以使多个所述固定检测梳齿和多个所述活动检测梳齿相互交错形成检测电容。

通过多个固定检测梳齿和多个活动检测梳齿相互交错形成差动电容检测，实现了检测结构的输出解耦，抑制了干扰信号。而且，检测电容由多个固定检测梳齿和多个活动检测梳齿交错排列组成，该陀螺结构的检测梳齿采用变面积的检测方式，电容变化量与角速率具有很好的线性度。因此，该陀螺仪可测量大角速率，同时具有高灵敏度和较好的线性度。

在一种可能的实现方式中，多个所述固定检测梳齿和多个所述活动检测梳齿均间隔排布。

在一种可能的实现方式中，所述检测电极包括：主检测电极和多个支检测电极，多个所述支检测电极分别位于所述主检测电极的两侧，所述主检测电极的一端与所述衬底相连，所述主检测电极的另一端悬空；每个所述支检测电极的一端与所述主检测电极悬空的一端电连接，每个所述支检测电极的另一端靠近所述第二外框架的内边缘，且多个所述固定检测梳齿位于所述支检测上。

在一种可能的实现方式中，所述第二外框架上具有多个朝向所述检测电极延伸的延伸部，所述延伸部的延伸方向与所述支检测电极平行；所述延伸部的一端与所述第二外框架相连，所述延伸部的另一端靠近所述主检测电极；且多个所述活动检测梳齿位于所述延伸部上。

在一种可能的实现方式中，每个所述子检测结构还包括：反馈电极，所述反馈电极的一端与所述衬底电连接，所述反馈电极的另一端悬空。

在一种可能的实现方式中，所述反馈电极上还具有多个固定反馈梳齿，所述第二外框架的内边缘还具有多个活动反馈梳齿；多个所述活动反馈梳齿背离所述反馈电极的一端和多个所述活动反馈梳齿背离所述第二外框架的内边缘的一端悬空，以使多个所述固定反馈梳齿和多个所述活动反馈梳齿相互交错形成反馈电容。

通过设置反馈电极并形成多组反馈电容，能够使陀螺仪的检测结构保持在平衡位置，实现了对检测模态的稳定控制，并能够完成对陀螺仪的闭环检测，这样，能够避免陀螺仪的检测结构产生较大位移带来结构扭转干扰，同时还有利于优化器件的非线性度，进而提高陀螺仪的测量精度。

在一种可能的实现方式中，多个所述活动反馈梳齿和多个所述固定反馈梳齿的排布方向与多个所述活动检测梳齿或多个所述固定检测梳齿的排布方向相同。

在一种可能的实现方式中，位于所述第一外框架两侧的两个所述子检测结构中的所述反馈电容接入的反馈信号的极性相反；位于所述第一外框架同侧的相邻两个所述子检测结构中的所述反馈电容接入的反馈信号的极性相反。

这样，能够保证任何方向上相邻的两个反馈电容接入的反馈信号极性相反，通过在反馈电极上加载反馈电压信号，以此在外框架上产生静电力用于抵消哥式惯性力，这样能够使检测结构工作在闭环力平衡状态下，使外框架在工作过程中不容易产生位移，这样驱动结构的运动则无法耦合到检测结构，从而进一步实现了驱动结构和检测结构的全解耦。

在一种可能的实现方式中，每个所述驱动结构位于所述第一外框架内且相对所述第一外框架的中心轴对称设置，所述驱动结构与所述中心轴平行的外边缘与所述第一外框架的内边缘部分相连。

在一种可能的实现方式中，所述驱动结构的部分外边缘通过驱动梁与所述第一外框架的内边缘相连。

这样，驱动结构可以在静电驱动力的作用下发生反向的谐振，同时保持第一外框架上的检测结构不发生运动，即减小了驱动结构的运动对检测结构的运动的影响，从而实现了驱动振动和检测运动的解耦，进一步地减小了陀螺仪的输出误差。

在一种可能的实现方式中，所述驱动结构相对于所述第一外框架的中心轴对称的两部分中的每一部分均包括至少一个子驱动结构，每个所述子驱动结构包括：内框架和位于所述内框架内的至少两组驱动电极；所述驱动电极的一端与所述衬底相连，所述驱动电极的另一端悬空。

在一种可能的实现方式中，所述驱动电极上具有多个固定驱动梳齿，所述内框架的内边缘具有多个活动驱动梳齿，多个所述固定驱动梳齿背离所述驱动电极的一端和多个所述活动驱动梳齿背离所述内框架的内边缘的一端悬空，以使多个所述固定驱动梳齿和多个所述活动驱动梳齿相互交错形成驱动电容；多个所述活动驱动梳齿间隔分布在所述内框架的内边缘处；多个所述固定驱动梳齿间隔分布在所述驱动电极上。

在一种可能的实现方式中，每个所述子驱动结构还包括：位于所述内框架内的至少两组驱动检测电极；其中一组所述驱动检测电极位于其中一组所述驱动电极和另一个所述驱动检测电极之间。

通过设置至少两组驱动检测电极并形成至少两组驱动检测电容，可以实现对陀螺仪的驱动模态的差动检测，并通过外围电路将电容变化量反馈给驱动电极使其对驱动位移作出相应调整，以实现对驱动模态的恒频恒幅闭环控制，该差动检测方式能够消除驱动共模干扰，提高信噪比和抗振动抗冲击性能。

在一种可能的实现方式中，所述内框架的内边缘还具有多个第一驱动检测梳齿，所述驱动检测电极上还具有多个第二驱动检测梳齿，多个所述第一驱动检测梳齿沿着与所述中心轴平行的方向间隔排布在所述内框架的内边缘；多个所述第二驱动检测梳齿间隔排布在所述驱动检测电极朝向所述第一驱动检测梳齿的一侧，且所述多个第一驱动检测梳齿和多个所述第二驱动检测梳齿交错排布，以使所述第一驱动检测梳齿和所述第二驱动检测梳齿之间形成驱动检测电容。

在一种可能的实现方式中，位于每个内框架内的相邻两个所述驱动电极输入的交流电压的相位相反。

在一种可能的实现方式中，其中一个所述内框架的内边缘处设置的所述活动驱动梳齿与另一个所述内框架的内边缘处设置的所述活动驱动梳齿镜面对称设置。这样，通过在两个不同的内框架的驱动电极上施加相同的驱动电压，便可使得两个内框架相向运动，从而在一定程度上简化了电路。

在一种可能的实现方式中，还包括：隔离结构，所述第一外框架的外边缘开设安装口，所述隔离结构安装在所述安装口处，且所述隔离结构通过折叠梁与所述第一外框架相连。

这样，能够增加陀螺仪的结构稳定性，提高陀螺结构的抗振动性能，同时还能够减小生产工艺和封装的影响，减小温度误差。

在一种可能的实现方式中，还包括：多个锚点，所述锚点的一端与所述隔离结构相连，所述锚点的另一端与所述衬底相连。

这样，能够进一步增加陀螺仪的结构稳定性，提高陀螺结构的抗振动性能。而且，内框架通过驱动梁与外框架相连，外框架再通过折叠梁与隔离结构相连，而隔离结构与锚点相连固定在衬底上，这种连接方式大大减小了加工应力和封装应力的影响，同时还减小了温度误差。

在一种可能的实现方式中，所述折叠梁的材料为硅。

在一种可能的实现方式中，所述驱动梁的材料为硅。

本申请实施例第二方面提供一种电子设备，包括上述任一所述的陀螺仪。

通过在电子设备中设置上述陀螺仪，减小了该陀螺仪的驱动结构中的驱动梳齿之间的力臂和力矩误差，降低了陀螺仪的输出误差，提高了陀螺仪的灵敏度，同时还提高了陀螺仪的振动性能和适应性能，从而使陀螺仪能够为电子设备提供更为准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，优化了电子设备的体验效果。与此同时，也保证了电子设备中信号传输的稳定性，确保电子设备的正常工作。

在一种可能的实现方式中，还包括：显示屏、中框、电路板、电池和后盖；所述电路板和所述电池设置在所述中框朝向所述后盖的一面上，所述显示屏和所述后盖分别位于所述中框的两侧；

所述陀螺仪位于所述中框、所述电路板、所述电池和所述后盖中的任意一者上。

附图说明

图1为本申请实施例提供的电子设备的整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的电子设备的拆分结构示意图；

图3为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的整体装配示意图；

图4为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的一种结构示意图；

图5为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的另一种结构示意图；

图6为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的又一种结构示意图；

图7为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的子检测结构的平面结构示意图；

图8为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的子检测结构的立体结构示意图；

图9为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的子驱动结构的平面结构示意图；

图10为本申请实施例中场景一提供的陀螺仪的陀螺结构的子驱动结构的立体结构示意图；

图11为本申请实施例中场景二提供的陀螺仪的陀螺结构的结构示意图；

图12为本申请实施例中场景二提供的陀螺仪的陀螺结构的子检测结构的平面结构示意图；

图13为本申请实施例中场景二提供的陀螺仪的陀螺结构的子检测结构的立体结构示意图。

附图标记说明：

100-陀螺仪；1-陀螺结构；10-第一外框架；20-子驱动结构；201-内框架；2011-活动驱动梳齿；2012-第一驱动检测梳齿；202-驱动电极；2021-固定驱动梳齿；203-驱动检测电极；2031-第二驱动检测梳齿；30-子检测结构；301-检测电极；3011-固定检测梳齿；3012-主检测电极；3013-支检测电极；302-第二外框架；3021-活动检测梳齿；3022-延伸部；3023-活动反馈梳齿；303-反馈机构；304-反馈电极；3041-固定反馈梳齿；3042-主反馈电极；3043-支反馈电极；40-驱动梁；50-安装口；501-隔离结构；502-锚点；503-连接梁；60-折叠梁；2-衬底；L1-中心轴；L2-第一方向；L3-第二方向；200-手机；21-显示屏；211-开孔；22-中框；221-金属中板；222-边框；23-电路板；24-电池；25-后盖；26a-前置摄像模组；26b-后置摄像模组。

具体实施方式

本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请，下面将结合附图对本申请实施例的实施方式进行详细描述。

本申请实施例提供一种电子设备，可以包括但不限于为手机、平板电脑、笔记本电脑、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、手持计算机、对讲机、上网本、销售点(Point of sales，POS)机、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、可穿戴设备、虚拟现实设备、无线U盘、蓝牙音响/耳机、或车载前装、行车记录仪、安防设备等具有上述陀螺仪的移动或固定终端。

其中，本申请实施例中，以手机200为上述电子设备为例进行说明，本申请实施例提供的手机200可以为曲面屏手机也可以为平面屏手机，本申请实施例中以平面屏手机为例进行说明。图1和图2分别示出了手机200的整体结构和拆分结构，本申请实施例提供的手机200的显示屏21可以为水滴屏、刘海屏、全面屏或者挖孔屏(参见图1所示)，下述描述以挖孔屏为例进行说明。

参见图2所示，手机200可以包括：显示屏21、中框22、电路板23和后盖25，其中，电路板23可以设置在中框22上，例如，电路板23可以设置在中框22朝向后盖25的一面上(如图2所示)，或者电路板23可以设置在中框22朝向显示屏21的一面上，显示屏21和后盖25分别位于中框22的两侧。在一些其它的示例中，手机200还可以包括电池24，电池24可以设在中框22朝向后盖25的一面上(如图2所示)，或者电池24可以设置在中框22朝向显示屏21的一面上，例如中框22朝向后盖25的一面可以具有电池仓(图中未示出)，电池24安装在电池仓中。

其中，电池24可以通过电源管理模块与充电管理模块和电路板23相连，电源管理模块接收电池24和/或充电管理模块的输入，并为处理器、内部存储器、外部存储器、显示屏21、摄像模组以及通信模块等供电。电源管理模块还可以用于监测电池24容量，电池24循环次数，电池24健康状态(漏电，阻抗)等参数。在其他一些实施例中，电源管理模块也可以设置于电路板23的处理器中。在另一些实施例中，电源管理模块和充电管理模块也可以设置于同一个器件中。

当手机200为平面屏手机时，显示屏21可以为有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏，也可以为液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)，当手机200为曲面屏手机时，显示屏21可以为OLED显示屏。

继续参照图2，中框22可以包括金属中板221和边框222，边框222围绕金属中板221的外周设置一周。一般地，边框222可以包括顶边框、底边框、左侧边框和右侧边框，顶边框、底边框、左侧边框和右侧边框围成方环结构的边框222。其中，金属中板221的材料包括但不限于为铝板、铝合金、不锈钢、钢铝复合压铸板、钛合金或镁合金等。边框222可以为金属边框，也可以为陶瓷边框，还可以为玻璃边框。当边框222为金属边框时，金属边框的材料包括但不限于为铝合金、不锈钢、钢铝复合压铸板或钛合金等。其中，金属中板221和边框222之间可以卡接、焊接、粘合或一体成型，或者金属中板221与边框222之间可以通过注塑固定相连。

后盖25可以为金属后盖，也可以为玻璃后盖，还可以为塑料后盖，或者，还可以为陶瓷后盖，本申请实施例中，对后盖25的材质并不加以限定，也不限于上述示例。

需要说明的是，在一些示例中，手机200的后盖25可以与边框222相连形成一体成型(Unibody)后盖，例如手机200可以包括：显示屏21、金属中板221和电池盖，电池盖可以为边框222和后盖25一体成型(Unibody)形成的后盖，这样电路板23和电池24位于金属中板221和电池盖围成的空间中。

其中，为了实现拍摄功能，手机200还可以包括：摄像模组，继续参照图2所示，摄像模组可以包括前置摄像模组26a和后置摄像模组26b。其中，后置摄像模组26b可以设置在金属中板221朝向后盖25的一面上，显示屏21上开设有开孔211，后置摄像模组26b的镜头与开孔211相对应。后盖25上可以开设可供后置摄像模组26b的部分区域安装的安装孔(图中未示出)，当然，后置摄像模组26b也可以安装在后盖25朝向金属中板221的一面上。前置摄像模组26a可以设在金属中板221朝向显示屏21的一面上，或者前置摄像模组26a可以设在金属中板221朝向后盖25的一面上，或者，前置摄像模组26a还可以设在后盖25朝向显示屏21的一面上，金属中板221上开设可供前置摄像模组26a的镜头端裸露的开口。

本申请实施例中，前置摄像模组26a和后置摄像模组26b的设置位置包括但不限于上述描述。其中，在一些实施例中，手机200内设置的前置摄像模组26a和后置摄像模组26b的数量可以为1个或N个，N为大于1的正整数。

为了进一步的增加手机200的可实现功能，可以在该手机200上可以安装有陀螺仪100，例如，为了实现导航功能、计步器功能或方位检测功能，可以在手机200中的中框22、电路板23、电池24和后盖25中的任意一者上安装有陀螺仪100。或者，为了实现摄像头防抖功能，可以在摄像模组上安装有陀螺仪100，示例性地，可以在前置摄像模组26a和后置摄像模组26b中的任意一者或两者上均安装有陀螺仪100，如图2所示，本申请实施例在后置摄像模组26b安装有陀螺仪100，以此实现摄像头防抖功能。

可以理解的是，本申请实施例示意的结构并不构成对手机200的具体限定。在本申请另一些实施例中，手机200可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。

基于上述描述，本申请实施例提供一种陀螺仪100，下面分别以不同的实施例为例，对该陀螺仪100的具体结构进行介绍。

陀螺仪是指用高速回转体的动量矩检测壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，或者说，利用其他原理制成的能够起到同样功能的角运动检测装置也可以称为陀螺仪。MEMS陀螺仪是一种新型的惯性传感器，其采用微机械加工技术实现结构加工，并可以与其测控电路完全集成在一个硅片上，从而具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高等优点，在军民两用领域有着重要的应用价值。

陀螺仪的生产通常采用微机械加工技术，微机械加工技术能加工微米量级的结构，但其加工误差为亚微米量级，即加工误差很大，从而会产生很大的正交耦合误差，甚至会造成电路饱和的问题，抑制陀螺仪的性能，因此，提高加工精度，减小误差，能有效提高MEMS陀螺仪性能。但是，目前的陀螺仪上下两部分的驱动结构中的驱动梳齿之间会产生较大的力臂和力矩误差，从而导致该MEMS陀螺仪容易产生较大的检测误差，温度环境适应性差。

基于此，本申请实施例提供一种陀螺仪，通过将驱动结构布置在陀螺结构的中间，减小了该陀螺仪的驱动结构中的驱动梳齿之间的力臂和力矩误差，降低了陀螺仪的输出误差，提高了陀螺仪的灵敏度，同时还提高了陀螺仪的振动性能和适应性能。

场景一

参照图3所示，本申请实施例提供一种陀螺仪100，可以包括：衬底2和位于衬底2之上的陀螺结构1，其中，如图4所示，该陀螺结构1可以包括：第一外框架10以及分别与第一外框架10相连的驱动结构和检测结构，其中，驱动结构位于第一外框架10内，且驱动结构包括相对于第一外框架10的中心轴L1对称的两部分，检测结构包括位于第一外框架10两侧的两部分，驱动结构和检测结构均与衬底2相连。

其中，驱动结构相对于第一外框架10的中心轴L1对称的两部分中的每一部分均可以包括至少一个子驱动结构20，驱动结构在第一外框架10内的布置方式可以是如图4中所示的两个子驱动结构20位于外框架10内且相对于外框架10的中心轴L1对称设置，或者也可以是如图5中所示的四个子驱动结构20位于外框架10内且两两相对于外框架10的中心轴L1对称设置，或者还可以是更多个子驱动结构20位于外框架10内，本申请实施例对此并不加以限定。

同样，在本申请实施例中，检测结构位于第一外框架10两侧的两部分中的每一部分可以包括至少一个子检测结构30，检测结构在陀螺结构1中的布置方式包括但不限于以下两种可能的实现方式：

一种可能的实现方式为：如图6所示，每个子检测结构30沿着第一方向L2位于第一外框架10的两侧，第一方向L2与中心轴L1的延伸方向垂直。

另一种可能的实现方式为：如图4所示，每个子检测结构30沿着第二方向L3位于第一外框架10的两侧，第二方向L3与中心轴L1的延伸方向平行。

需要说明的是，本申请实施例中只是作为示例介绍了其中的几种布置方式，在其它的一些实施例中，驱动结构和检测结构的布置方式当然也可以是不同于图4至图6所示的结构，因此，本申请实施例对驱动结构和检测结构的布置方式并不加以限定，也不限于上述示例。

在本申请实施例中，陀螺结构1采用内驱动外检测的结构形式，由于驱动结构布置在整个陀螺结构1的中间，这样减小了驱动结构产生的力矩误差，降低了陀螺仪100的输出误差，提高了陀螺仪100的灵敏度，同时还提高了陀螺仪100的振动性能和适应性能。

而且，由于位于每个子驱动结构20两侧的子检测结构30同时布置在第一外框架10上，这样使得多个子检测结构30连接在一起，能够确保多个子检测结构30运动的同步性。而且，如图4所示，该陀螺结构1包括两个子驱动结构20，通过采用双驱动结构形式，能够增加输出信号，提高陀螺结构1的灵敏度。

进一步地，由于该陀螺结构1采用了第一外框架10这样的框架式结构，增加了陀螺结构1的转动刚度，有效抑制了同相作用力的影响，如振动、冲击等影响。

在一些实施例中，如图7所示，每个子检测结构30可以包括：检测电极301和第二外框架302，第二外框架302与第一外框架10固定连接，其中，检测电极301的一端与衬底2电连接，检测电极301的另一端悬空。

具体地，继续参照附图7，检测电极301上具有多个固定检测梳齿3011，第二外框架302的内边缘具有多个活动检测梳齿3021，多个固定检测梳齿3011背离检测电极301的一端和多个活动检测梳齿3021背离第二外框架302的内边缘的一端悬空，以使多个固定检测梳齿3011和多个活动检测梳齿3021相互交错形成检测电容，这样，可以形成差动电容检测，从而实现了检测机构的输出解耦，抑制了干扰信号。

而且，检测电容由多个固定检测梳齿3011和多个活动检测梳齿3021交错排列组成，该陀螺结构1的检测梳齿采用变面积的检测方式，电容变化量与角速率具有很好的线性度，从而可以增大振动幅度，提高陀螺仪100的检测灵敏度。因此，该陀螺仪100可测量大角速率，同时具有高灵敏度和高线性度。

在一种可能的实现方式中，多个固定检测梳齿3011和多个活动检测梳齿3021均间隔排布，例如，如图7所示，多个固定检测梳齿3011和多个活动检测梳齿3021可以分别沿着第一方向L2间隔排布。

进一步地，如图8所示，检测电极301可以包括：主检测电极3012和多个支检测电极3013，多个支检测电极3013分别位于主检测电极3012的两侧，主检测电极3012的一端与衬底2相连，主检测电极3012的另一端悬空。

每个支检测电极3013的一端与主检测电极3012电连接，每个支检测电极3013的另一端可以沿着与中心轴L1垂直的方向延伸并靠近第二外框架302的内边缘。而且，多个固定检测梳齿3011位于支检测电极3013上。

在本实施例中，继续参照附图8，第二外框架302具有多个延伸部3022，延伸部3022的延伸方向与支检测电极3013平行。具体地，延伸部3022的一端与第二外框架302相连，延伸部3022的另一端靠近主检测电极3012，而且，多个活动检测梳齿3021位于延伸部3022上。

在本申请实施例中，如图4所示，驱动结构位于第一外框架10内且相对第一外框架10的中心轴L1对称设置，驱动结构与中心轴L1平行的外边缘与第一外框架10的内边缘部分相连。

作为一种可选的实施方式，驱动结构的部分外边缘可以通过驱动梁40与第一外框架10的内边缘相连。这样，驱动结构可以在静电驱动力的作用下发生反向的谐振，同时保持同时连接在第一外框架10上的检测结构不发生运动，即减小了驱动结构的运动对检测结构的运动的影响，从而实现了驱动运动和检测运动的解耦，进一步地减小了陀螺仪100的输出误差。

而且，图4中，驱动结构位于陀螺结构1的中间，驱动结构通过驱动梁40与第一外框架10连接，所有的活动检测梳齿3021布置在同一个第一外框架10上，从而使得该陀螺结构1的驱动结构的运动和检测结构的运动分别构成了音叉运动，确保了陀螺结构1运动的同步性。

作为一种可选的实施方式，驱动梁40的材料可以为硅。

参照附图9所示，每个子驱动结构20可以包括：内框架201和位于内框架201内的至少两组驱动电极202，驱动电极202的一端与衬底2相连，驱动电极202的另一端悬空。

继续参照附图9，驱动电极202上具有多个固定驱动梳齿2021，内框架201的内边缘具有多个活动驱动梳齿2011，多个固定驱动梳齿2021背离驱动电极202的一端和多个活动驱动梳齿2011背离内框架202的内边缘的一端悬空，以使多个固定驱动梳齿2021和多个活动驱动梳齿2011相互交错形成驱动电容。

具体地，多个活动驱动梳齿2011间隔分布在内框架201的内边缘处，多个固定驱动梳齿2021间隔分布在驱动电极202上。例如，如图9所示，多个活动驱动梳齿2011可以沿着第二方向L3间隔分布在内框架201的内边缘处，多个固定驱动梳齿2021可以沿着第二方向L3间隔分布在驱动电极202上。

在一种可能的实现方式中，其中一个内框架201的内边缘处设置的活动驱动梳齿2011与另一个内框架201的内边缘处设置的活动驱动梳齿2011镜面对称设置。这样，通过在两个不同的内框架201的驱动电极202上施加相同的驱动电压，便可使得两个内框架201相向运动，从而在一定程度上简化了电路。

如图9所示，每个子驱动结构20还可以包括：位于内框架201内的至少两组驱动检测电极203，其中一组驱动检测电极203位于其中一组驱动电极202和另一个驱动检测电极203之间。

在本申请实施例中，参照附图10所示，内框架201的内边缘还可以具有多个第一驱动检测梳齿2012，驱动检测电极203上还可以具有多个第二驱动检测梳齿2031，多个第一驱动检测梳齿2012沿着与中心轴L1平行的方向间隔排布在内框架201的内边缘，多个第二驱动检测梳齿2031间隔排布在驱动检测电极203朝向第一驱动检测梳齿2012的一侧。

而且，多个第一驱动检测梳齿2012和多个第二驱动检测梳齿2031交错排布，以使第一驱动检测梳齿2012和第二驱动检测梳齿2031之间能够形成驱动检测电容。

通过设置至少两组驱动检测电极203并形成至少两组驱动检测电容，将其中一个驱动检测电容构成驱动检测正极，将另外一个驱动检测电容构成驱动检测负极，这样，通过驱动检测正极与驱动检测负极的电容变化，可以实现对陀螺仪100的驱动模态的差动检测，并能够通过外围电路将电容变化量反馈给驱动电极202使其对驱动位移作出相应调整，以实现对驱动模态的恒频恒幅闭环控制，因此，该差动检测方式能够消除驱动共模干扰，提高信噪比和抗振动抗冲击性能。

在实际使用时，位于每个内框架201内的相邻两个驱动电极202输入的交流电压的相位相反。例如，可以在位于同一个内框架201内的其中一个驱动电极202上施加带直流偏置的交流电压，在位于同一个内框架201内的另外一个驱动电极202上施加带直流偏置的反相交流电压，从而形成双边驱动。然后，分别在位于同一个内框架201内的相邻两个驱动检测电极203上施加反相直流电压，形成差分电容检测。

需要说明的是，在位于同一个内框架201上的其中一个驱动电极202上施加带直流偏置的交流电压，在另外一个驱动电极202上施加带直流偏置的反相交流电压，会产生交变的静电力，静电驱动力为：

式中，n为驱动谐振器的活动梳齿数，ε为介电常数，h为结构的厚度，d为梳齿间距，U_d为驱动电压的直流偏置电压，U_a为交流电压，ω_d为交流电压的角频率。

同理，在位于另外一个内框架201上的其中一个驱动电极202上施加带直流偏置的交流电压，在另外一个驱动电极202上施加带直流偏置的反相交流电压，也会产生交变的静电力。

但是，由于位于不同的内框架201处的活动驱动梳齿2011为镜面对称布置，因此，作用在不同的内框架201的静电驱动力方向相反。

这样，两个内框架201在静电驱动力的作用下，沿驱动方向作相向简谐线振动。当驱动交流电压的频率与陀螺仪100的驱动模态的固有频率一致时，线振动位移为：

式中，F_d0为静电驱动力幅值，k_x为X方向的弹性刚度，Q_x为驱动模态的品质因数。

线振动速度为：

然后，当陀螺仪100有外界输入角速率ω_z时，根据右手定则，检测结构在第二方向L3上受到哥氏加速度的作用，其大小为：

式中，

为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。

设检测质量为m_s，则作用在检测结构上的哥氏力为：

作用在两个子驱动结构20上的哥氏惯性力的方向相反，形成哥氏力矩，在哥氏力矩的作用下，第一外框架10和内框架201一起作相向简谐振动。这样，使得活动检测梳齿3021与固定检测梳齿3011之间的间隙按一定的简谐振动规律变动，电容差值信号经过外围电路处理后，可以获得输出电压信号。

在本申请实施例中，输出电压信号为四组子检测结构30的输出电压信号之和，且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小，这样即可得到角速率的大小。然后，再通过鉴相器比较输出电压信号与输入电压信号的之间的相位关系，从而可以判断输入角速率的方向。

可以理解的是，鉴相器就是指能够鉴别相位的射频器件，又叫相位比较器，是一种能够鉴别出输入信号的相差的器件，是使输出电压与输入信号之间的相位差有确定关系的电路。

此外，在本申请实施例中，该陀螺仪100还可以包括：隔离结构501，第一外框架10的外边缘可以开设有安装口50，隔离结构501安装在安装口50处，例如，参照图4所示，第一外框架10与中心轴L1垂直的两个外边缘可以开设有安装口50，隔离结构501安装在安装口50处。或者，在一些其它的实施例中，也可以是在第一外框架10与中心轴L1平行的两个外边缘开设有安装口50，隔离结构501安装在安装口50处。或者，也可以是在第一外框架10的四个外边缘均开设有安装口50，每个安装口50处安装有隔离结构501。

需要说明的是，隔离结构501的一端可以通过折叠梁60与第一外框架10相连，隔离结构501的一端的另一端与衬底2相连，这样，能够增加陀螺仪100的结构稳定性，提高陀螺结构1的抗振动性能，同时还能够减小生产工艺和封装的影响，减小温度误差。

作为一种可选的实施方式，折叠梁60的材料可以为硅。

此外，该陀螺仪100还可以包括：多个锚点502，如图4所示，锚点502的一端与隔离结构501相连，锚点502的另一端与衬底2相连。

需要说明的是，锚点502可以通过连接梁503与隔离结构501相连，这样，能够进一步增加陀螺仪100的结构稳定性，提高陀螺结构1的抗振动性能。而且，内框架201通过驱动梁40与第一外框架10相连，第一外框架10再通过折叠梁60与隔离结构501相连，而隔离结构501与锚点502相连固定在衬底2上，这种连接方式大大减小了加工应力和封装应力的影响，同时还减小了温度误差。

作为一种可选的实施方式，连接梁503的材料同样可以为硅。

需要说明的是，本申请实施例中的陀螺结构1可以采用SOG(Silicon On Glass，玻璃上硅)工艺或SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)工艺进行制备，本申请实施例对陀螺结构1的制备工艺并不加以限定，也不限于上述示例。

场景二

在上述场景一的基础上，本申请实施例还提供另一种陀螺仪100，与上述场景一不同的是，如图11所示，该陀螺仪100的陀螺结构1中的每个子检测结构30还可以包括：反馈机构303。

如图12所示，反馈机构303可以包括反馈电极304，其中，反馈电极304的一端与衬底2电连接，反馈电极304的另一端悬空。

继续参照图12，反馈电极304上还具有多个固定反馈梳齿3041，第二外框架302的内边缘还具有多个活动反馈梳齿3023，其中，多个固定反馈梳齿3041背离反馈电极304的一端和多个活动反馈梳齿3023背离第二外框架302的内边缘的一端悬空，以使多个固定反馈梳齿3041和多个活动反馈梳齿3023相互交错形成反馈电容。

而且，多个活动反馈梳齿3023和多个固定反馈梳齿3041的排布方向与多个活动检测梳齿3021或多个固定检测梳齿3011的排布方向相同。

在一种可能的实现方式中，如图13所示，反馈电极304可以包括：主反馈电极3042和多个支反馈电极3043，其中，多个支反馈电极3043分别位于主反馈电极3042的两侧，主反馈电极3042的一端与衬底2相连，主反馈电极3042的另一端悬空。

容易理解的是，多个支反馈电极3043的一端与主反馈电极3042悬空的一端电连接，多个支反馈电极3043的另一端沿着与中心轴L1垂直的方向延伸并靠近外框架10的内边缘。而且，每组反馈电容中的多个固定反馈梳齿3041的一端与支反馈电极3043电连接。

在本申请实施例中，第一外框架10具有多个朝向反馈机构303内延伸的延伸部3022，如图13所示，延伸部3022的延伸方向与支反馈电极3043平行；延伸部3022的一端与第一外框架10相连，延伸部3022的另一端靠近主反馈电极3042。而且，部分反馈电容中的多个活动反馈梳齿3023的一端与延伸部3022相连。

在实际使用时，通过设置闭环检测电路，可以实现检测结构的闭环控制。其中，多个固定检测梳齿3011和多个活动检测梳齿3021相互交错形成检测电容，且闭环检测梳齿电容两两之间构成差分检测，最后这两组信号再一次进行，从而进一步实现检测机构30的信号输出。

其中，位于第一外框架10两侧的两个子检测结构30中的反馈电容接入的反馈信号的极性相反，位于第一外框架10同侧的相邻两个子检测结构30中的反馈电容接入的反馈信号的极性相反，这样能够保证任何方向上相邻的两个反馈电容接入的反馈信号极性相反，通过在反馈电极304上加载反馈电压信号，能够在第一外框架10上产生静电力用于抵消哥式惯性力，从而能够使检测结构工作在闭环力平衡状态下，使第一外框架10在工作过程中不容易产生位移，这样驱动结构的运动则无法耦合到检测结构，从而进一步实现了驱动结构和检测结构的解耦。

在本申请实施例中，通过设置反馈机构303能够使陀螺仪100的检测结构保持在平衡位置，实现了对检测模态的稳定控制，并能够完成对陀螺仪100的闭环检测，这样，能够避免陀螺仪100的检测结构产生较大位移带来结构扭转干扰，同时还有利于优化器件的非线性度，进而提高陀螺仪100的测量精度。

在本申请实施例的场景二中，其他技术特征与场景一相同，并能取得相同或相应的技术效果，此处不再一一赘述。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (24)

1.一种陀螺仪，其特征在于，包括：衬底、第一外框架以及分别与所述第一外框架相连的驱动结构和检测结构；

所述驱动结构位于所述第一外框架内，所述驱动结构包括相对于所述第一外框架的中心轴对称的两部分，所述检测结构包括位于所述第一外框架两侧的两部分；所述驱动结构和所述检测结构均与所述衬底相连；

所述检测结构位于所述第一外框架两侧的两部分中的每一部分均包括至少一个子检测结构，每个所述子检测结构包括：检测电极和第二外框架；所述第二外框架与所述第一外框架固定连接；

所述检测电极上具有多个固定检测梳齿，所述第二外框架的内边缘具有多个活动检测梳齿，多个所述固定检测梳齿背离所述检测电极的一端和多个所述活动检测梳齿背离所述第二外框架的内边缘的一端悬空，以使多个所述固定检测梳齿和多个所述活动检测梳齿相互交错形成检测电容。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述检测结构沿着第一方向位于所述第一外框架的两侧，所述第一方向与所述中心轴的延伸方向垂直；或者，

所述检测结构沿着第二方向位于所述第一外框架的两侧，所述第二方向与所述中心轴的延伸方向平行。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪，其特征在于，所述检测电极的一端与所述衬底电连接，所述检测电极的另一端悬空。

4.根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，多个所述固定检测梳齿和多个所述活动检测梳齿均间隔排布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的陀螺仪，其特征在于，所述检测电极包括：主检测电极和多个支检测电极，多个所述支检测电极分别位于所述主检测电极的两侧，所述主检测电极的一端与所述衬底相连，所述主检测电极的另一端悬空；

每个所述支检测电极的一端与所述主检测电极电连接，每个所述支检测电极的另一端靠近所述第二外框架的内边缘；

且多个所述固定检测梳齿位于所述支检测电极上。

6.根据权利要求5所述的陀螺仪，其特征在于，所述第二外框架上具有多个朝向所述主检测电极延伸的延伸部，所述延伸部的延伸方向与所述支检测电极平行；所述延伸部的一端与所述第二外框架相连，所述延伸部的另一端靠近所述主检测电极；

且多个所述活动检测梳齿位于所述延伸部上。

7.根据权利要求1-4、6任一所述的陀螺仪，其特征在于，每个所述子检测结构还包括：反馈电极，所述反馈电极的一端与所述衬底电连接，所述反馈电极的另一端悬空。

8.根据权利要求7所述的陀螺仪，其特征在于，所述反馈电极上还具有多个固定反馈梳齿，所述第二外框架的内边缘还具有多个活动反馈梳齿；多个所述固定反馈梳齿背离所述反馈电极的一端和多个所述活动反馈梳齿背离所述第二外框架的内边缘的一端悬空，以使多个所述固定反馈梳齿和多个所述活动反馈梳齿相互交错形成反馈电容。

9.根据权利要求8所述的陀螺仪，其特征在于，多个所述活动反馈梳齿和多个所述固定反馈梳齿的排布方向与多个所述活动检测梳齿或多个所述固定检测梳齿的排布方向相同。

10.根据权利要求8-9任一所述的陀螺仪，其特征在于，位于所述第一外框架两侧的两个所述子检测结构中的所述反馈电容接入的反馈信号的极性相反；

位于所述第一外框架同侧的相邻两个所述子检测结构中的所述反馈电容接入的反馈信号的极性相反。

11.根据权利要求1-4、6、8-9任一所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动结构位于所述第一外框架内且相对所述第一外框架的中心轴对称设置，所述驱动结构与所述中心轴平行的外边缘与所述第一外框架的内边缘部分相连。

12.根据权利要求1-4、6、8-9任一所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动结构的部分外边缘通过驱动梁与所述第一外框架的内边缘相连。

13.根据权利要求1-4、6、8-9任一所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动结构相对于所述第一外框架的中心轴对称的两部分中的每一部分均包括至少一个子驱动结构，每个所述子驱动结构包括：内框架和位于所述内框架内的至少两组驱动电极；所述驱动电极的一端与所述衬底相连，所述驱动电极的另一端悬空。

14.根据权利要求13所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动电极上具有多个固定驱动梳齿，所述内框架的内边缘具有多个活动驱动梳齿，多个所述固定驱动梳齿背离所述驱动电极的一端和多个所述活动驱动梳齿背离所述内框架的内边缘的一端悬空，以使多个所述固定驱动梳齿和多个所述活动驱动梳齿相互交错形成驱动电容；

多个所述活动驱动梳齿间隔分布在所述内框架的内边缘处；

多个所述固定驱动梳齿间隔分布在所述驱动电极上。

15.根据权利要求13所述的陀螺仪，其特征在于，每个所述子驱动结构还包括：位于所述内框架内的至少两组驱动检测电极，其中一组所述驱动检测电极位于其中一组所述驱动电极和另一个所述驱动检测电极之间。

16.根据权利要求15所述的陀螺仪，其特征在于，所述内框架的内边缘还具有多个第一驱动检测梳齿，所述驱动检测电极上还具有多个第二驱动检测梳齿，

多个所述第一驱动检测梳齿沿着与所述中心轴平行的方向间隔排布在所述内框架的内边缘；

多个所述第二驱动检测梳齿间隔排布在所述驱动检测电极朝向所述第一驱动检测梳齿的一侧，且所述多个第一驱动检测梳齿和多个所述第二驱动检测梳齿交错排布，以使所述第一驱动检测梳齿和所述第二驱动检测梳齿之间形成驱动检测电容。

17.根据权利要求14所述的陀螺仪，其特征在于，位于每个内框架内的相邻两个所述驱动电极输入的交流电压的相位相反。

18.根据权利要求17所述的陀螺仪，其特征在于，其中一个所述内框架的内边缘处设置的所述活动驱动梳齿与另一个所述内框架的内边缘处设置的所述活动驱动梳齿镜面对称设置。

19.根据权利要求1-4、6、8-9、14-18任一所述的陀螺仪，其特征在于，还包括：隔离结构，

所述第一外框架的外边缘开设安装口，所述隔离结构安装在所述安装口处，且所述隔离结构通过折叠梁与所述第一外框架相连。

20.根据权利要求19所述的陀螺仪，其特征在于，还包括：多个锚点，所述锚点的一端与所述隔离结构相连，所述锚点的另一端与所述衬底相连。

21.根据权利要求19所述的陀螺仪，其特征在于，所述折叠梁的材料为硅。

22.根据权利要求12所述的陀螺仪，其特征在于，所述驱动梁的材料为硅。

23.一种电子设备，其特征在于，包括上述权利要求1-22任一所述的陀螺仪。

24.根据权利要求23所述的电子设备，其特征在于，还包括：显示屏、中框、电路板、电池和后盖；所述电路板和所述电池设置在所述中框朝向所述后盖的一面上，所述显示屏和所述后盖分别位于所述中框的两侧；

所述陀螺仪位于所述中框、所述电路板、所述电池和所述后盖中的任意一者上。

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