CN114166195A - 三轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

公开了一种三轴陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的可动结构层；可动结构层包括：沿第一轴线平行设置并间隔预定距离的第一驱动框架和第二驱动框架分别沿第二轴线进行反方向的谐振运动；弹性框架位于可动结构层的正中心；第一感测结构位于第一驱动框架和第二驱动框架之间，以及沿第二轴线方向对称分布在弹性框架两侧；第二感测结构沿第一轴线方向对称分布在弹性框架的两侧；耦合结构用于将第一感测结构和第二感测结构耦接，并控制第一感测结构和第二感测结构的运行方向相互垂直；第一感测结构由第一驱动框架和第二驱动框架进行驱动，第二感测结构由第一感测结构通过耦合结构被动驱动。本发明实施例提供的三轴陀螺仪，降低轴间干扰以及降低正交误差。

Description

三轴陀螺仪

技术领域

本发明涉及探测角速度的微机电技术领域，特别涉及一种三轴陀螺仪。

背景技术

采用表面工艺制作的微机电(Micro-Electro-Mechanic System，简称MEMS)惯性传感器是以硅片为基体，通过多次薄膜淀积和图形加工制备的三维微机械结构。

硅微陀螺仪是微机电(MEMS)惯性传感器常用器件之一，其工作原理是利用科氏力检测角速度，即当固定在基底上的振动的机械结构受到外界的角速度时，由于科氏效应会产生科氏加速度，科氏加速度与角速度和振动线速度的关系满足右手法则，即

科氏加速度相应的科氏力使可动质量块产生相应的位移，从而改变电容极板之间的距离，信号处理电路通过感测电容的变化从而获知相应角速度的值。

常用的陀螺仪是三轴结构，分别感应X/Y/Z轴的角速度，为节省面积，两个感应轴可能共用一个可动质量块，这就不可避免的增加了轴间干扰。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种三轴陀螺仪，降低轴间干扰以及降低正交误差。

根据本发明的第一方面，提供一种三轴陀螺仪，包括衬底和位于所述衬底上的可动结构层；所述可动结构层包括：第一驱动框架，沿第一轴线平行设置，并且沿第二轴线进行谐振运动；第二驱动框架，沿第一轴线平行设置，与所述第一驱动框架间隔预定距离，并且沿第二轴线进行与所述第一驱动框架反向的谐振运动；弹性框架，位于所述可动结构层的正中心；第一感测结构，位于所述第一驱动框架和所述第二驱动框架之间，并且与所述第一驱动框架和所述第二驱动框架连接，以及沿第二轴线方向对称分布在所述弹性框架两侧，并与所述弹性框架连接，用于感测第一轴线角速度；第二感测结构，沿第一轴线方向对称分布在所述弹性框架的两侧，并与所述弹性框架连接，用于感测第二轴线角速度和第三轴线角速度；耦合结构，位于所述第一感测结构和所述第二感测结构之间，用于将所述第一感测结构和所述第二感测结构耦接在一起，并且控制所述第一感测结构和所述第二感测结构的运行方向相互垂直；

其中，所述第一感测结构由所述第一驱动框架和所述第二驱动框架进行驱动，所述第二感测结构由所述第一感测结构通过所述耦合结构被动驱动；所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直，第三轴线分别与所述第一轴线和所述第二轴线垂直。

优选地，当所述第一感测结构沿第二轴线远离所述弹性框架运动时，所述第二感测结构沿第一轴线朝向所述弹性框架运动；当所述第一感测结构沿第二轴线朝向所述弹性框架运动时，所述第二感测结构沿第一轴线远离所述弹性框架运动。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：弹性支撑结构，位于所述衬底上，用于支撑所述第一驱动框架和所述第二驱动框架，以及限制所述第一驱动框架和所述第二驱动框架沿第二轴线进行谐振运动。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：设置在所述第一驱动框架内侧的第一驱动电极，用于驱动所述第一驱动框架沿第二轴线进行谐振运动；设置在所述第一驱动框架内侧的第一驱动反馈电极；设置在所述第二驱动框架内侧的第二驱动电极，用于驱动所述第二驱动框架沿第二轴线进行与所述第一驱动框架相反的谐振运动；设置在所述第二驱动框架内侧的第二驱动反馈电极。

优选地，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极为差分梳齿电极，所述第一驱动反馈电极和所述第二驱动反馈电极为差分梳齿电极。

优选地，所述第一感测结构包括第一质量块和第二质量块，所述第一质量块和所述第二质量块沿第二轴线对称分布在所述弹性框架两侧，并与所述弹性框架连接。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：第一驱动耦合梁，将所述第一驱动框架和所述第一质量块连接；第二驱动耦合梁，将所述第二驱动框架和所述第二质量块连接。

优选地，所述第二感测结构包括第三质量块和第四质量块，其中，所述第三质量块和所述第四质量块沿第一轴线方向对称分布在所述弹性框架的两侧，并与所述弹性框架耦接。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：设置在所述第一感测结构下方的第一检测电极和第二检测电极；设置在所述第二感测结构下方的第三检测电极和第四检测电极；设置在所述第二感测结构内侧的第五检测电极和第六检测电极；根据所述第一感测结构以及所述第一检测电极、所述第二检测电极之间的电容变化感测第一轴线角速度；根据所述第二感测结构以及所述第三检测电极和所述第四检测电极之间的电容变化感测第二轴线角速度；根据所述第二感测结构以及所述第五检测电极和所述第六检测电极感测第三轴线角速度。

优选地，所述第二感测结构在检测第二轴线角速度时受到第三轴线且方向相反的科氏力，所述耦合结构将所述第二感测结构的转动轴线控制在所述第五检测电极和所述第六检测电极的中心线上。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：第一补偿电极，位于所述第三检测电极和所述第五检测电极之间；第二补偿电极，位于所述第四检测电极和所述第六检测电极之间；所述第一补偿电极和所述第二补偿电极用于产生静电力以控制所述第二感测结构偏离第一轴线的谐振运动。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：第一止动结构，用于限制所述第二感测结构沿第一轴线和第二轴线的运动位移；第二止动结构，用于限制所述第一感测结构沿第一轴线和第二轴线的运动位移。

优选地，所述的三轴陀螺仪还包括：刻蚀补偿结构，位于所述弹性框架的对角处。

优选地，所述弹性框架包括中心锚点、悬臂梁、第一可动框架、第一折叠梁、第二可动框架、第二折叠梁、第三折叠梁、第四折叠梁和第五折叠梁；其中，所述中心锚点固定在所述衬底上，所述悬臂梁的一端与所述中心锚点连接，另一端连接所述第一可动框架；所述第一可动框架和所述第二可动框架通过所述第一折叠梁相互连接，所述第一折叠梁对称分布在所述第一可动框架两侧，以及位于所述第二可动框架内；所述第二可动框架的四边分别与所述第二折叠梁、所述第三折叠梁、所述第四折叠梁和所述第五折叠梁连接，所述弹性框架经由所述第二折叠梁、所述第三折叠梁、所述第四折叠梁和所述第五折叠梁连接分别与所述第一感测结构和所述第二感测结构连接。

优选地，所述中心锚点为对称图形，并且与所述悬梁臂连接的两边沿所述悬臂梁的方向向内凹进。

优选地，所述耦合结构包括固定锚点、第三可动框架、第六折叠梁、第七折叠梁以及第八折叠梁，所述固定锚点固定在所述衬底上，所述第三可动框架通过所述第六折叠梁与所述固定锚点连接，通过所述第七折叠梁与所述第一感测结构连接，通过所述第八折叠梁与所述第二感测结构连接。

优选地，所述第三可动框架包括彼此相连的第一框架和第二框架，其中，所述第一框架和所述第二框架相互垂直。

优选地，所述第一框架与所述第七折叠梁垂直，所述第二框架与所述第八折叠梁垂直。

优选地，所述第七折叠梁与所述第八折叠梁相互垂直。

本发明实施例提供的三轴陀螺仪，在第一感测结构和第二感测结构的相交处设置耦合结构，控制第二感测结构在检测第二轴线角速度时的转动轴线位于检测第三轴线角速度的检测电极的中心线上，降低第二轴线角速度和第三轴线角速度之间的轴间干扰。

进一步地，所述三轴陀螺仪还包括第一止动结构和第二止动结构，分别限制第一感测结构和第二感测结构的运动位移，避免在较大外力冲击情况下器件失效。

进一步地，在弹性框架的对角处设置刻蚀补偿结构，减小刻蚀过程中的负载效应，从而减小加工的器件结构与设计值之间的偏差。

进一步地，在所述第三检测电极和所述第五检测电极之间设置第一补偿电极以及在所述第四检测电极和所述第六检测电极之间设置第二补偿电极，可以产生静电力以控制第二感测结构偏离第一轴线的谐振运动，从而抑制正交误差。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本发明实施例提供的三轴陀螺仪的俯视图；

图2示出图1所示的三轴陀螺仪X轴检测时的示意图；

图3示出图1所示的三轴陀螺仪Y轴检测时的示意图；

图4示出图1所示的三轴陀螺仪Z轴检测时的示意图；

图5示出图1所示的三轴陀螺仪中弹性框架的局部放大图；

图6示出图1所示的三轴陀螺仪中耦合结构的局部放大图；

图7示出图1所示的三轴陀螺仪中在检测到Y轴角速度时第二感测结构的转动轴线。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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发明中的具体含义。

图1示出根据本发明实施例提供的三轴陀螺仪的俯视图。如图1所示，所述三轴陀螺仪包括衬底(图1中未示出)和可动结构层100。其中，所述可动结构层包括第一驱动框架110a、第二驱动框架110b、第一感测结构120(图中未示出)、第二感测结构130(图中未示出)、弹性框架140、耦合结构150以及驱动电极、驱动反馈电极和检测电极。

其中，第一驱动框架110a和第二驱动框架110b沿第一轴线平行设置，并且间隔预定距离。第一驱动框架110a用于沿第二轴线进行谐振运动，第二驱动框架110b用于沿第二轴线进行与所述第一驱动框架110反向的谐振运动。

在本实施例中，第一轴线和第二轴线相互垂直。第一轴线例如是X轴，第二轴线例如是Y轴，但并不限于此。

在图1所示的具体实施例中，第一驱动框架110a和第二驱动框架110b结构相同，关于X轴对称布置(或上下对称分布)，且第一驱动框架110a和第二驱动框架110b平行于X轴设置。

所述三轴陀螺仪还包括：设置在衬底上的弹性支撑结构180，第一驱动框架110a和第二驱动框架110b通过所述弹性支撑结构180固定在衬底上，所述弹性支撑结构180在第二轴线上的刚度较小，在第一轴线上的刚度较大，从而控制所述第一驱动框架110a和第二驱动框架110b沿第二轴线进行谐振运动。

所述三轴陀螺仪还包括：设置在第一驱动框架110a内侧的第一驱动电极111a和第一驱动反馈电极112a；设置在第二驱动框架110b两侧的第二驱动电极111b和第二驱动反馈电极112b。第一驱动电极111a、第一驱动反馈电极112a、第二驱动电极111b和第二驱动反馈电极112b固定设置于衬底(未图示)上。

其中，第一驱动电极111a和第二驱动电极111b为差分梳齿电极。第一驱动框架110a在第一驱动电极111a的驱动下，沿第二轴线进行谐振运动，第二驱动框架110b在第二驱动电极111b沿第二轴线进行与所述第一驱动框架反向的谐振运动。第一驱动反馈电极112a和第二驱动反馈电极112b为差分梳齿电极，第一驱动反馈电极112a和第二驱动反馈电极112b用于将驱动位移以梳齿电容的形式反馈给信号处理电路。

第一感测结构120位于第一驱动框架110a和第二驱动框架110b之间，并与所述第一驱动框架110a和第二驱动框架110b耦接，用于感应第一轴线角速度。第一感测结构120沿第二轴线方向对称分布在弹性框架140的两侧，并与所述弹性框架140耦接。所述第一感测结构120由所述第一驱动框架110a和所述第二驱动框架110b进行驱动。

在本实施例中，第一感测结构120包括第一质量块120a和第二质量块120b。所述第一质量块120a和第二质量块120b分别与所述弹性框架140耦接。所述第一质量块120a由第一驱动框架110a驱动，第二质量块120b由第二驱动框架110b驱动。

第一驱动框架110a还包括第一驱动耦合梁113a；第二驱动框架110b还包括第二驱动耦合梁113b。第一质量块120a经由第一驱动耦合梁113a与第一驱动框架110a耦接，第二质量块120b经由第二驱动耦合梁113b与第二驱动框架110b耦接。第一驱动耦合梁113a和第二驱动耦合梁113b在第二轴线方向上具有很大刚度，使得第一质量块120a与第一驱动框架110a基本同步运动、第二质量块120b与第二驱动框架110b基本同步运动。

第二感测结构130沿第一轴线方向对称分布在弹性框架140的两侧，并与所述弹性框架140耦接，用于感测第二轴线角速度和第三轴线角速度。所述第二感测结构130由所述第一感测结构120通过所述耦合结构150被动驱动。

在本实施例中，第二感测结构130包括第三质量块130a和第四质量块130b，其中，第三质量块130a和第四质量块130b沿第一轴线方向对称分布在弹性框架140的两侧，并与所述弹性框架140耦接。第三轴线与所述第一轴线和第二轴线均垂直。第三轴线例如是Z轴。

弹性框架140位于第一感测结构120和第二感测结构130的中心处。

耦合结构150位于第一感测结构120和第二感测结构130之间，用于将第一感测结构120和第二感测结构130耦接在一起，并且使第一感测结构120和第二感测结构130的运动方向相互垂直。当第一感测结构120沿第二轴线远离弹性框架140运动时，第二感测结构130沿第一轴线朝向弹性框架140运动。反之，当第一感测结构120沿第二轴线朝向弹性框架140运动时，第二感测结构130沿第一轴线远离弹性框架140运动。

在本实施例中，耦合结构150位于相邻的第一感测结构120和第二感测结构130的边界处，具体地，耦合结构150分布在第一质量块120a和第三质量块130a之间、第一质量块120a和第四质量块130b之间、第二质量块120b和第三质量块130a之间以及第二质量块120b和第四质量块130b之间，且分布在第一感测结构120和第二感测结构130形成的四个对角处。

所述三轴陀螺仪还包括：设置在第一感测结构120下方的第一检测电极121a和第二检测电极121b、设置在第二感测结构130下方的第三检测电极131a和第四检测电极131b、以及设置在第二感测结构130内侧的第五检测电极132a和第六检测电极132b。第一检测电极121a、第二检测电极121b、第三检测电极131a、第四检测电极131b、第五检测电极132a和第六检测电极132b固定设置于衬底(未图示)上。

在本实施例中，所述第五检测电极132a和第六检测电极132b为差分梳齿电极。

图2示出图1所示的三轴陀螺仪X轴检测时的示意图。具体地，在感测第一轴线角速度ω_x时，参见图2，第一质量块120a与第一检测电极121a形成可变电容，以及第二质量块120b与第二检测电极121b形成可变电容，由于第一质量块120a和第二质量块120b沿第二轴线(Y轴方向)朝相反的方向运动，在受到第三轴线(Z轴方向)且方向相反的科氏力时，第一质量块120a与第一检测电极121a之间的第一电容C_x1，以及第二质量块120b与第二检测电极121b之间的第二电容C_x2，其中一个增加，另一个减小，根据第一电容C_x1和第二电容C_x2之间的差值，可以获取第一轴线角速度ω_x的大小。

图3示出图1所示的三轴陀螺仪Y轴检测时的示意图。具体地，在感测第二轴线角速度ω_y时，参见图3，第三质量块130a与第三检测电极131a形成可变电容，以及第四质量块130b与第四检测电极131b形成可变电容，由于第三质量块130a和第四质量块130b沿第一轴线(X轴方向)朝相反的方向运动，在受到第三轴线(Z轴方向)且方向相反的科氏力时，第三质量块130a与第三检测电极131a之间的第三电容C_y1，以及第四质量块130b与第四检测电极131b之间的第四电容C_y2，其中一个增加，另一个减小，根据第三电容C_y1和第四电容C_y2之间的差值，可以获取第二轴线角速度ω_y的大小。

图4示出图1所示的三轴陀螺仪Z轴检测时的示意图。具体地，在感测第三轴线角速度ω_z时，参见图4，第三质量块130a与第五检测电极132a形成可变电容，以及第四质量块130b与第六检测电极132b形成可变电容，由于第三质量块130a和第四质量块130b沿第一轴线(X轴方向)朝相反的方向运动，在受到第二轴线(Y轴方向)且方向相反的科氏力时，第三质量块130a与第五检测电极132a之间的第五电容C_z1，以及第四质量块130b与第六检测电极132b之间的第六电容C_z2，其中一个增加，另一个减小，根据第五电容C_z1和第六电容C_z2之间的差值，可以获取第三轴线角速度ω_z的大小。

在一个优选地实施例中，所述三轴陀螺仪还包括：第一补偿电极133a，位于所述第三检测电极131a和所述第五检测电极132a之间；以及第二补偿电极133b，位于所述第四检测电极131b和所述第六检测电极132b之间，用于产生静电力以控制第二感测结构130偏离第一轴线的谐振运动，从而抑制正交误差。

在一个优选地实施例中，所述三轴陀螺仪还包括第一止动结构161和第二止动结构162，用于限制第一感测结构120和第二感测结构130的运动位移，避免在较大外力冲击情况下器件失效。具体地，第一止动结构161用于限制所述第二感测结构130沿第一轴线和第二轴线的运动位移；第二止动结构162用于限制所述第一感测结构120沿第一轴线和第二轴线的运动位移。

在一个优选地实施例中，所述三轴陀螺仪还包括刻蚀补偿结构170，位于所述弹性框架140的对角处，减小刻蚀过程中的负载效应，从而减小加工的器件结构与设计值之间的偏差。

图5示出图1所示的三轴陀螺仪中弹性框架的局部放大图。参见图5，弹性框架140包括中心锚点141、悬臂梁142、第一可动框架143、第一折叠梁144、第二可动框架145、第二折叠梁146a、第三折叠梁146b、第四折叠梁147a和第五折叠梁147b。其中，中心锚点141固定在衬底上，悬臂梁142的一端与中心锚点141连接，另一端连接第一可动框架143。为了增加悬臂梁142的长度，同时保证中心锚点141的牢固性，中心锚点为对称图形，且与悬梁臂142连接的两边沿悬臂梁142的方向向内凹进。第一可动框架143和第二可动框架145通过第一折叠梁144相互连接，第一折叠梁对称分布在第一可动框架143两侧，以及位于第二可动框架145内。第二可动框架145的四边分别与第二折叠梁146a、第三折叠梁146b、第四折叠梁147a和第五折叠梁147b连接。其中，第二折叠梁146a与第一质量块120a连接，第三折叠梁146b与第二质量块120b连接，第四折叠梁147a与第三质量块130a连接，第五折叠梁147b与第四质量块130b连接。

具体地，刻蚀补偿结构170位于第二折叠梁146a、第三折叠梁146b、第四折叠梁147a和第五折叠梁147b与第二可动框架145之间。所述刻蚀补偿结构170固定在衬底上，用于减小第二折叠梁146a、第三折叠梁146b、第四折叠梁147a和第五折叠梁147b刻蚀过程中的负载效应。

所述刻蚀补偿结构170的上方可以沉积金属，与盖帽圆片上对应位置的金属进行键合，起到支撑作用，减小腔体的形变。

图6示出图1所示的三轴陀螺仪中耦合结构的局部放大图。参见图6，耦合结构150包括固定锚点151、第三可动框架152、第六折叠梁153、第七折叠梁154以及第八折叠梁155。其中，固定锚点151固定在衬底上，第三可动框架152通过第六折叠梁153与所述固定锚点151连接，通过第七折叠梁154与第一感测结构120连接，通过第八折叠梁155与第二感测结构130连接，第三可动框架152包括第一框架152a和第二框架152b，所述第一框架152a和第二框架152b相互垂直，第一框架152a和第七折叠梁154相互垂直，第二框架152b与第八折叠梁155相互垂直，第七折叠梁154与第八折叠梁155相互垂直，以控制第一感测结构120和第二感测结构130的运动方向相互垂直。图7示出图1所示的三轴陀螺仪中在检测到Y轴角速度时第二感测结构的转动轴线。参见图7，第二感测结构130在检测第二轴线角速度ω_y时受到第三轴线(Z轴方向)且方向相反的科氏力，耦合结构150可以将第二感测结构130的转动轴线134控制在第五检测电极132a和第六检测电极132b的中心线上，从而最小化第二轴线角速度ω_y与第三轴线角速度ω_z的轴间干扰。

需要说明的是，耦合结构150的形状并不限于附图6所示的形状，还可以是其他形状，只要耦合结构150可以将第二感测结构130的转动轴线134控制在第五检测电极132a和第六检测电极132b的中心线上，并且第二感测结构130沿转动轴线134扭摆即可。

本发明实施例还提供一种三轴陀螺仪的制造方法，具体如下：在步骤S101中，在第一衬底上形成第一绝缘层，该第一绝缘层的材料可以为氧化层。

在步骤S102中，在所述第一绝缘层上沉积多晶硅形成第一多晶硅层，并对所述第一多晶硅层进行光刻形成布线。第一多晶硅层的厚度例如为0.4um。

在步骤S103中，在所述第一多晶硅层上形成第二绝缘层，并对所述第二绝缘层刻蚀形成第一通孔。

在步骤S104中，在所述第二绝缘层上沉积多晶硅形成第二多晶硅层，并对所述第二多晶硅层刻蚀形成第一检测电极121a、第二检测电极121b、第三检测电极131a和第四检测电极131b。第二多晶硅层的厚度例如为0.8um。

在步骤S105中，在所述第二多晶硅层上形成牺牲层，并对所述牺牲层刻蚀形成第二通孔。所述牺牲层的厚度例如为1.6um。

在步骤S106中，在所述牺牲层上沉积多晶硅形成第三多晶硅层，所述第三多晶硅层的厚度例如为20um。

在步骤S107中，在所述第三多晶硅层上沉积第一金属层并图形化形成压点和第一键合区图形；第一金属层的厚度例如为1.5um，第一金属层例如为铝。

在步骤S108中，对所述第三多晶硅层进行刻蚀以及熏蒸(释放)牺牲层形成第一感测结构和第二感测结构等可动结构层。

在步骤S109中，在第二衬底上沉积第二金属层并图形化形成第二键合区，第二金属层例如为锗。

在步骤S110中，对所述第二衬底进行刻蚀形成空腔，并保留阻挡结构；以及将第一衬底的第一键合区和第二衬底的第二键合区相对应进行键合形成密封器件。

本发明实施例提供的三轴陀螺仪，在第一感测结构和第二感测结构的相交处设置耦合结构，控制第二感测结构在检测第二轴线角速度时的转动轴线位于检测第三轴线角速度的检测电极的中心线上，降低第二轴线角速度和第三轴线角速度之间的轴间干扰。

进一步地，所述三轴陀螺仪还包括第一止动结构和第二止动结构，分别限制第一感测结构和第二感测结构的运动位移，避免在较大外力冲击情况下器件失效。

进一步地，在弹性框架的对角处设置刻蚀补偿结构，减小刻蚀过程中的负载效应，从而减小加工的器件结构与设计值之间的偏差。

进一步地，在所述第三检测电极和所述第五检测电极之间设置第一补偿电极以及在所述第四检测电极和所述第六检测电极之间设置第二补偿电极，可以产生静电力以控制第二感测结构偏离第一轴线的谐振运动，从而抑制正交误差。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (19)

1.一种三轴陀螺仪，其特征在于，包括衬底和位于所述衬底上的可动结构层；

所述可动结构层包括：

第一驱动框架，沿第一轴线平行设置，并且沿第二轴线进行谐振运动；

第二驱动框架，沿第一轴线平行设置，与所述第一驱动框架间隔预定距离，并且沿第二轴线进行与所述第一驱动框架反向的谐振运动；

弹性框架，位于所述可动结构层的正中心；

第一感测结构，位于所述第一驱动框架和所述第二驱动框架之间，并且与所述第一驱动框架和所述第二驱动框架连接，以及沿第二轴线方向对称分布在所述弹性框架两侧，并与所述弹性框架连接，用于感测第一轴线角速度；

第二感测结构，沿第一轴线方向对称分布在所述弹性框架的两侧，并与所述弹性框架连接，用于感测第二轴线角速度和第三轴线角速度；

耦合结构，位于所述第一感测结构和所述第二感测结构之间，用于将所述第一感测结构和所述第二感测结构耦接在一起，并且控制所述第一感测结构和所述第二感测结构的运行方向相互垂直；

其中，所述第一感测结构由所述第一驱动框架和所述第二驱动框架进行驱动，所述第二感测结构由所述第一感测结构通过所述耦合结构被动驱动；

所述第一轴线与所述第二轴线相互垂直，第三轴线分别与所述第一轴线和所述第二轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，当所述第一感测结构沿第二轴线远离所述弹性框架运动时，所述第二感测结构沿第一轴线朝向所述弹性框架运动；

当所述第一感测结构沿第二轴线朝向所述弹性框架运动时，所述第二感测结构沿第一轴线远离所述弹性框架运动。

3.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

弹性支撑结构，位于所述衬底上，用于支撑所述第一驱动框架和所述第二驱动框架，以及限制所述第一驱动框架和所述第二驱动框架沿第二轴线进行谐振运动。

4.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

设置在所述第一驱动框架内侧的第一驱动电极，用于驱动所述第一驱动框架沿第二轴线进行谐振运动；

设置在所述第一驱动框架内侧的第一驱动反馈电极；

设置在所述第二驱动框架内侧的第二驱动电极，用于驱动所述第二驱动框架沿第二轴线进行与所述第一驱动框架相反的谐振运动；

设置在所述第二驱动框架内侧的第二驱动反馈电极。

5.根据权利要求4所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极为差分梳齿电极，所述第一驱动反馈电极和所述第二驱动反馈电极为差分梳齿电极。

6.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第一感测结构包括第一质量块和第二质量块，所述第一质量块和所述第二质量块沿第二轴线对称分布在所述弹性框架两侧，并与所述弹性框架连接。

7.根据权利要求6所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

第一驱动耦合梁，将所述第一驱动框架和所述第一质量块连接；

第二驱动耦合梁，将所述第二驱动框架和所述第二质量块连接。

8.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第二感测结构包括第三质量块和第四质量块，其中，所述第三质量块和所述第四质量块沿第一轴线方向对称分布在所述弹性框架的两侧，并与所述弹性框架耦接。

9.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

设置在所述第一感测结构下方的第一检测电极和第二检测电极；

设置在所述第二感测结构下方的第三检测电极和第四检测电极；

设置在所述第二感测结构内侧的第五检测电极和第六检测电极；

根据所述第一感测结构以及所述第一检测电极、所述第二检测电极之间的电容变化感测第一轴线角速度；

根据所述第二感测结构以及所述第三检测电极和所述第四检测电极之间的电容变化感测第二轴线角速度；

根据所述第二感测结构以及所述第五检测电极和所述第六检测电极感测第三轴线角速度。

10.根据权利要求9所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第二感测结构在检测第二轴线角速度时受到第三轴线且方向相反的科氏力，所述耦合结构将所述第二感测结构的转动轴线控制在所述第五检测电极和所述第六检测电极的中心线上。

11.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

第一补偿电极，位于所述第三检测电极和所述第五检测电极之间；

第二补偿电极，位于所述第四检测电极和所述第六检测电极之间；

所述第一补偿电极和所述第二补偿电极用于产生静电力以控制所述第二感测结构偏离第一轴线的谐振运动。

12.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

第一止动结构，用于限制所述第二感测结构沿第一轴线和第二轴线的运动位移；

第二止动结构，用于限制所述第一感测结构沿第一轴线和第二轴线的运动位移。

13.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，还包括：

刻蚀补偿结构，位于所述弹性框架的对角处。

14.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述弹性框架包括中心锚点、悬臂梁、第一可动框架、第一折叠梁、第二可动框架、第二折叠梁、第三折叠梁、第四折叠梁和第五折叠梁；

其中，所述中心锚点固定在所述衬底上，所述悬臂梁的一端与所述中心锚点连接，另一端连接所述第一可动框架；

所述第一可动框架和所述第二可动框架通过所述第一折叠梁相互连接，所述第一折叠梁对称分布在所述第一可动框架两侧，以及位于所述第二可动框架内；

所述第二可动框架的四边分别与所述第二折叠梁、所述第三折叠梁、所述第四折叠梁和所述第五折叠梁连接，

所述弹性框架经由所述第二折叠梁、所述第三折叠梁、所述第四折叠梁和所述第五折叠梁连接分别与所述第一感测结构和所述第二感测结构连接。

15.根据权利要求13所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述中心锚点为对称图形，并且与所述悬梁臂连接的两边沿所述悬臂梁的方向向内凹进。

16.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述耦合结构包括固定锚点、第三可动框架、第六折叠梁、第七折叠梁以及第八折叠梁，所述固定锚点固定在所述衬底上，所述第三可动框架通过所述第六折叠梁与所述固定锚点连接，通过所述第七折叠梁与所述第一感测结构连接，通过所述第八折叠梁与所述第二感测结构连接。

17.根据权利要求16所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第三可动框架包括彼此相连的第一框架和第二框架，其中，所述第一框架和所述第二框架相互垂直。

18.根据权利要求17所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第一框架与所述第七折叠梁垂直，所述第二框架与所述第八折叠梁垂直。

19.根据权利要求16所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述第七折叠梁与所述第八折叠梁相互垂直。

Images