CN114295113A - Mems陀螺仪 - Google Patents

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严世涛
马昭
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彭宏韬
洪燕
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Abstract

本发明公开了MEMS陀螺仪，其包括锚点；谐振器，包括等间距间隔设置的八个谐振块以及连接相邻两个谐振块的耦合梁，谐振块通过锚接梁连接于锚点，耦合梁包括第一耦合梁和第二耦合梁，锚接梁可解耦谐振块的径向运动和周向运动，八个谐振块分为一对第一谐振块、一对第二谐振块、一对第三谐振块以及一对第四谐振块；换能器，与谐振器电场耦合；工作模态包括振动模态和检测模态，振动模态下，换能器驱动一对第一谐振块沿第一轴振动以及一对第二谐振块沿第二轴振动，并带动一对第三谐振块沿第四轴振动以及一对第四谐振块沿第三轴振动；检测模态下，换能器用于检测一对第三谐振块沿第三轴的振动和一对第四谐振块沿第四轴的振动。

Description

MEMS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MEMS陀螺仪。
【背景技术】
MEMS陀螺仪是应用微机械加工技术与微电子工艺制作的一种微型角速度传感器。MEMS陀螺仪的典型结构有音叉式、环式、嵌套环式、圆盘、半球陀螺等。其中，环式MEMS陀螺仪具有高度对称性的驱动、检测模态，其通过检测模态的能量计算角速度输入的大小。然而，相关技术中的环式MEMS陀螺仪由于受驱动/检测电容和有效振动质量的限制，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MEMS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MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪不仅可以提高驱动/检测灵敏度，而且可以有效降低空气阻尼、降低机械噪声以及有效降低工艺误差引入的频差和正交误差。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种MEMS陀螺仪，其包括：
锚点；
谐振器，包括呈环状分布并沿所述锚点的周向等间距间隔设置的八个谐振块以及连接相邻两个所述谐振块的耦合梁，所述谐振块通过锚接梁连接于所述锚点，所述耦合梁包括沿所述锚点的径向间隔设置并均可弹性形变的第一耦合梁和第二耦合梁，其中，所述锚接梁在工作模态下可扭摆以使得所述谐振块的径向运动和周向运动解耦，八个所述谐振块分为沿第一轴间隔设置的一对第一谐振块、沿第二轴间隔设置的一对第二谐振块、沿第三轴间隔设置的一对第三谐振块以及沿第四轴间隔设置的一对第四谐振块，所述第一轴与所述第二轴垂直，所述第三轴与所述第四轴垂直，所述第一轴与所述第三轴呈45度或135度的夹角；
换能器，与所述谐振器电场耦合；
其中，工作模态包括振动模态和检测模态，振动模态下，所述换能器驱动一对所述第一谐振块沿所述第一轴振动以及一对所述第二谐振块沿所述第二轴振动，并带动一对所述第三谐振块沿所述第四轴振动以及一对所述第四谐振块沿所述第三轴振动；检测模态下，所述换能器用于检测一对所述第三谐振块沿所述第三轴的振动和一对所述第四谐振块沿所述第四轴的振动。
优选地，所述换能器包括八个外电极，所述外电极一一对应地设于所述谐振块远离所述锚点的一侧，其中，对应所述第一谐振块设置的所述外电极与对应所述第二谐振块设置的所述外电极具有相反的电位；对应所述第三谐振块设置的所述外电极与对应所述第四谐振块设置的所述外电极具有相反的电位。
优选地，所述换能器包括8N个内电极，所述谐振块沿所述锚点的轴向上贯穿设有N个插孔，所述内电极一一对应地插入所述插孔内，其中，对应所述第一谐振块设置的所述内电极与对应所述第二谐振块设置的所述内电极具有相反的电位；对应所述第三谐振块设置的所述内电极与对应所述第四谐振块设置的所述内电极具有相反的电位；N为正整数，且当N大于1时，每一所述谐振块上的N个所述插孔沿所述锚点的径向间隔设置。
优选地，所述内电极包括沿所述锚点的径向方向间隔设置的第一电极和第二电极，所述第一内电极和所述第二内电极具有相反的电位。
优选地，所述换能器包括八个外电极和8N个内电极，所述外电极一一对应地设于所述谐振块远离所述锚点的一侧，所述谐振块沿所述锚点的轴向上贯穿设有N个插孔，所述内电极一一对应地插入所述插孔内，其中，对应每一所述谐振块设置的所述外电极和所述内电极具有相反的电位；对应所述第一谐振块设置的所述外电极与对应所述第二谐振块设置的所述外电极具有相反的电位；对应所述第三谐振块设置的所述外电极与对应所述第四谐振块设置的所述外电极具有相反的电位；N为正整数，且当N大于1时，每一所述谐振块上的N个所述插孔沿所述锚点的径向间隔设置。
优选地，所述锚点呈正八边形，每一所述谐振块通过所述锚接梁连接于所述锚点的每一侧边上。
优选地，所述第一耦合梁连接于所述谐振块远离所述锚点的一端，所述第二耦合梁连接于所述谐振块靠近所述锚点的一端。
优选地，所述第一耦合梁和所述第二耦合梁均具有开口朝向所述锚点的折角，所述第一耦合梁和所述第二耦合梁均关于所述折角的角平分线对称。
本发明的实施例相对于相关技术而言，具有以下特点：
1、相较于传统四谐振块的音叉陀螺，本申请采用全对称设计，整体运动模态呈现类disc连续波动状态，可有效降低工艺误差引入的频差及正交误差；
2、相较于传统-disc陀螺(传统-disc陀螺各环之间细小的间距使得空气阻尼影响较大)，本申请采用大质量的谐振块运动，可有效减小空气阻尼，从而提高Q值，增大灵敏度；另外，较大的运动质量，可有效减小MEMs机械噪声；
3、相较于传统-disc陀螺(传统-disc陀螺的外环位移最大，内环位移逐渐减小，且电极布置在外侧)，本申请的谐振块呈整体平动状态，谐振块内部、外侧均可布置换能器，增加了换能器布置面积，可降低驱动电压，同时提升灵敏度；
3、相较于传统带有解耦结构的谐振块设计(传统带有解耦结构的谐振块设计的哥氏增益不大于0.5)，本申请振动/检测模态下，检测/振动谐振块平动，实现谐振块振动/检测方向运动解耦，且每个谐振块均参与哥氏运动，可较大幅度提升哥氏增益(本申请的哥氏增益>0.7)，从而提高灵敏度。
【附图说明】
图1为本发明提供的MEMS陀螺仪实施例一的剖视图；
图2为图1所示MEMS陀螺仪的结构示意图；
图3为图1所示MEMS陀螺仪角速度检测原理图；
图4为本发明提供的MEMS陀螺仪实施例二的结构示意图；
图5为图4所示MEMS陀螺仪中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MEMS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，MEMS陀螺仪包括基底1、锚点2、谐振器3及换能器4。锚点2和换能器4固定于基底1，谐振器3悬置于基底1上。
谐振器3采用全对称设计。具体地，谐振器3包括呈环状分布并沿锚点2的周向等间距间隔设置的八个谐振块31以及连接相邻两个谐振块31的耦合梁33。其中，八个谐振块31分为沿第一轴X间隔设置的一对第一谐振块31A、沿第二轴Y间隔设置的一对第二谐振块31B、沿第三轴Z间隔设置的一对第三谐振块31C以及沿第四轴H间隔设置的一对第四谐振块31D。其中，第一轴X与第二轴Y垂直，第三轴Z与第四轴H垂直，第一轴X与第三轴Z呈45度或135度的夹角。
谐振块31通过锚接梁35连接于锚点2。其中，锚接梁35在工作模态下可扭摆以使得谐振块31的径向运动和周向运动解耦。
如图2所示，锚点2呈正八边形，每一谐振块31通过锚接梁35连接于锚点2的每一侧边上。可以理解的是，锚点2并不局限于为呈正八边形，例如，在其它实施方式中，锚点2也可以呈圆形。
耦合梁33包括沿锚点2的径向间隔设置并均可弹性形变的第一耦合梁331和第二耦合梁333。
如图2所示，第一耦合梁331连接于谐振块31远离锚点2的一端，第二耦合梁333连接于谐振块31靠近锚点2的一端。
在本实施例中，第一耦合梁331和第二耦合梁333均具有开口朝向锚点2的折角，且第一耦合梁331和第二耦合梁333均关于折角的角平分线对称。
换能器4与谐振器3电场耦合。其中，工作模态包括振动模态和检测模态，振动模态下，换能器4驱动一对第一谐振块31A沿第一轴X振动以及一对第二谐振块31B沿第二轴Y振动，并带动一对第三谐振块31C沿第四轴H振动以及一对第四谐振块31D沿第三轴Z振动；检测模态下，换能器4用于检测一对第三谐振块31C沿第三轴Z的振动和一对第四谐振块31D沿第四轴H的振动，相应地，一对第三谐振块31C沿第三轴Z的振动和一对第四谐振块31D沿第四轴H的振动时，带动一对第一谐振块31A沿第二轴Y振动以及一对第二谐振块31B沿第一轴X振动。
如图3所示，MEMS陀螺仪通过外部驱动力驱动一对第一谐振块31A沿第一轴X振动以及一对第二谐振块31B沿第二轴Y振动时，一对第三谐振块31C沿第四轴H振动以及一对第四谐振块31D沿第三轴Z振动。根据哥氏原理，当外界z轴角速度输入时，第一谐振块31A产生沿第二轴Y的哥氏力，第二谐振块31B产生沿第一轴X的哥氏力，第三谐振块31C产生沿第三轴Z的哥氏力，第四谐振块31D产生沿第四轴H的哥氏力，通过检测一对第三谐振块31C沿第三轴Z的振动位移和一对第四谐振块31D沿第四轴H的振动位移，可获取角速度的大小。
需要说明的是，锚接梁35在工作模态下可扭摆以使得谐振块31的径向运动和周向运动解耦是指：
振动模态下，一对第一谐振块31A沿第一轴X振动以及一对第二谐振块31B沿第二轴Y振动时，与第三谐振块31C连接的锚接梁35以及与第四谐振块31D连接的锚接梁35均处于扭摆状态，从而使得锚接梁35与第三谐振块31C的连接部分以及锚接梁35与第四谐振块31D的连接部分均呈现平移状态，从而使得一对第三谐振块31C沿第四轴H振动以及一对第四谐振块31D沿第三轴Z振动(即第三谐振块31C和第四谐振块31D在锚点2的周向上振动)而在锚点2的径向上没有位移，因此，不会引起检测输出；
同理，检测模态下，一对第三谐振块31C沿第三轴Z的振动和一对第四谐振块31D沿第四轴H的振动时，与第一谐振块31A连接的锚接梁35以及与第二谐振块31B连接的锚接梁35均处于扭摆状态，从而使得锚接梁35与第一谐振块31A的连接部分以及锚接梁35与第二谐振块31B的连接部分均呈现平移状态，从而使得一对第一谐振块31A沿第二轴Y振动以及一对第二谐振块31B沿第一轴X振动(即第一谐振块31A和第二谐振块31B在锚点2的周向上振动)而在锚点2的径向上没有位移，因此，不会引起驱动输出。
还需要说明的是，以振动模态为例，所设计的耦合梁33使得第一谐振块31A和第二谐振块31B中的其中一方向远离锚点2的位置运动，另一方向靠近锚点2的位置运动时，第一谐振块31A和第二谐振块31B振动产生驱动第三谐振块31C沿第四轴H振动的合力。
在本实施例中，换能器4包括八个外电极41，所述外电极41一一对应地设于谐振块31远离锚点2的一侧，其中，对应第一谐振块31A设置的外电极41与对应第二谐振块31B设置的外电极41具有相反的电位；对应第三谐振块31C设置的外电极41与对应第四谐振块31D设置的外电极41具有相反的电位。
实施例二
请结合参阅图4至图5，实施例二与实施例一的区别仅在于：换能器4包括8N个内电极43，谐振块31沿锚点2的轴向上贯穿设有N个插孔311，内电极43一一对应地插入插孔311内，其中，对应第一谐振块31A设置的内电极43与对应第二谐振块31B设置的内电极43具有相反的电位；对应第三谐振块31C设置的内电极43与对应第四谐振块31D设置的内电极43具有相反的电位；N为正整数，且当N大于1时，每一谐振块31上的N个插孔311沿锚点2的径向间隔设置。
在本实施例中，内电极43包括沿锚点2的径向方向间隔设置的第一电极431和第二电极433，第一电极431和第二电极433具有相反的电位。
需要说明的是，在其他实施方式中，换能器4还可以设置成，包括如实施例一的八个外电极41和如实施二的8N个内电极43，其中，对应每一谐振块31设置的外电极41和内电极43具有相反的电位。
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MEMS陀螺仪，其特征在于，其包括：
锚点；
谐振器，包括呈环状分布并沿所述锚点的周向等间距间隔设置的八个谐振块以及连接相邻两个所述谐振块的耦合梁，所述谐振块通过锚接梁连接于所述锚点，所述耦合梁包括沿所述锚点的径向间隔设置并均可弹性形变的第一耦合梁和第二耦合梁，其中，所述锚接梁在工作模态下可扭摆以使得所述谐振块的径向运动和周向运动解耦，八个所述谐振块分为沿第一轴间隔设置的一对第一谐振块、沿第二轴间隔设置的一对第二谐振块、沿第三轴间隔设置的一对第三谐振块以及沿第四轴间隔设置的一对第四谐振块，所述第一轴与所述第二轴垂直，所述第三轴与所述第四轴垂直，所述第一轴与所述第三轴呈45度或135度的夹角；
换能器，与所述谐振器电场耦合；
其中，工作模态包括振动模态和检测模态，振动模态下，所述换能器驱动一对所述第一谐振块沿所述第一轴振动以及一对所述第二谐振块沿所述第二轴振动，并带动一对所述第三谐振块沿所述第四轴振动以及一对所述第四谐振块沿所述第三轴振动；检测模态下，所述换能器用于检测一对所述第三谐振块沿所述第三轴的振动和一对所述第四谐振块沿所述第四轴的振动。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述换能器包括八个外电极，所述外电极一一对应地设于所述谐振块远离所述锚点的一侧，其中，对应所述第一谐振块设置的所述外电极与对应所述第二谐振块设置的所述外电极具有相反的电位；对应所述第三谐振块设置的所述外电极与对应所述第四谐振块设置的所述外电极具有相反的电位。
3.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8N个内电极，所述谐振块沿所述锚点的轴向上贯穿设有N个插孔，所述内电极一一对应地插入所述插孔内，其中，对应所述第一谐振块设置的所述内电极与对应所述第二谐振块设置的所述内电极具有相反的电位；对应所述第三谐振块设置的所述内电极与对应所述第四谐振块设置的所述内电极具有相反的电位；N为正整数，且当N大于1时，每一所述谐振块上的N个所述插孔沿所述锚点的径向间隔设置。
4.根据权利要求3所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述内电极包括沿所述锚点的径向方向间隔设置的第一电极和第二电极，所述第一内电极和所述第二内电极具有相反的电位。
5.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述换能器包括八个外电极和8N个内电极，所述外电极一一对应地设于所述谐振块远离所述锚点的一侧，所述谐振块沿所述锚点的轴向上贯穿设有N个插孔，所述内电极一一对应地插入所述插孔内，其中，对应每一所述谐振块设置的所述外电极和所述内电极具有相反的电位；对应所述第一谐振块设置的所述外电极与对应所述第二谐振块设置的所述外电极具有相反的电位；对应所述第三谐振块设置的所述外电极与对应所述第四谐振块设置的所述外电极具有相反的电位；N为正整数，且当N大于1时，每一所述谐振块上的N个所述插孔沿所述锚点的径向间隔设置。
6.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述锚点呈正八边形，每一所述谐振块通过所述锚接梁连接于所述锚点的每一侧边上。
7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一耦合梁连接于所述谐振块远离所述锚点的一端，所述第二耦合梁连接于所述谐振块靠近所述锚点的一端。
8.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一耦合梁和所述第二耦合梁均具有开口朝向所述锚点的折角，所述第一耦合梁和所述第二耦合梁均关于所述折角的角平分线对称。
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