CN115507831B - 微机电陀螺 - Google Patents

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Abstract

本公开了提供了一种微机电陀螺，包括：基板、第一音叉结构、第二音叉结构、固定部和多个梁结构，多个梁结构包括：相连的第一耦合梁与第二耦合梁，位于第一音叉结构与第二音叉结构之间，用于将第一音叉结构与第二音叉结构耦合连接；第一对称梁，与第一音叉结构相连，第一对称梁与第一耦合梁关于第一对称轴对称分布在第一音叉结构两侧；第二对称梁，与第二音叉结构相连，第二对称梁与第二耦合梁关于第二对称轴对称分布在第二音叉结构两侧。该微机电陀螺通过在音叉的一侧匹配与耦合梁对应的对称梁，提高了微机电陀螺的结构与受力的对称性，进而提升陀螺的性能。

Description

微机电陀螺
技术领域
本公开涉及半导体器件技术领域，更具体地，涉及微机电陀螺。
背景技术
微机电陀螺由于体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，已广泛应用于消费类电子、工业机器人、汽车安全、飞行器控制等领域。在各种微机电陀螺的结构形式中，线振动音叉式陀螺结构是研究和应用最多的，占主导地位。音叉式微机电陀螺工作时，两个音叉结构在驱动力作用下，在平面内沿X轴以相反方向振动，当有沿Z轴的角速度输入时，音叉结构在科氏力作用下沿Y轴以相反方向振动。为提高驱动效率，音叉需工作在驱动模态，即以谐振频率沿X轴方向振动。
如图1所示，为使第一音叉11与第二音叉12的谐振频率一致，需要采用耦合结构13将第一音叉11与第二音叉12连接在一起。通过这种方式，第一、第二音叉结构形成一个耦合体，保证了微机电陀螺敏感结构的驱动模态是第一、第二音叉结构以本征频率反相运动。但是，由于该耦合结构的存在，破坏了每个音叉自身结构以及受力的对称性，增大了加工误差对陀螺性能的影响。
因此，希望提供一种改进的微机电陀螺，以提高产品的性能。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种改进的微机电陀螺，通过在每个音叉结构的一侧匹配与耦合梁对应的对称梁，提高了微机电陀螺的结构与受力的对称性，进而提升陀螺的性能。
根据本公开实施例提供的微机电陀螺，包括：
基板；
第一音叉结构与第二音叉结构，分别位于所述基板上方并与所述基板分隔；
多个固定部，固定于所述基板上；以及
多个梁结构，位于所述基板上方并与所述基板分隔，所述第一音叉结构与所述第二音叉结构分别通过相应的所述梁结构与相应的所述固定部连接，
其中，所述多个梁结构包括多个驱动梁，所述多个驱动梁包括：
相连的第一耦合梁与第二耦合梁，位于所述第一音叉结构与所述第二音叉结构之间，用于将所述第一音叉结构与所述第二音叉结构耦合连接；
第一对称梁，与所述第一音叉结构相连，所述第一对称梁与所述第一耦合梁关于第一对称轴对称分布在所述第一音叉结构的两侧；以及
第二对称梁，与所述第二音叉结构相连，所述第二对称梁与所述第二耦合梁关于第二对称轴对称分布在所述第二音叉结构的两侧，
其中，所述第一对称轴与所述第二对称轴均相对垂直于所述基板的厚度方向和所述微机电陀螺的驱动轴，所述驱动轴沿第一方向延伸并相对垂直于所述厚度方向。
可选地，所述第一音叉结构与所述第二音叉结构为对称分布在主对称轴两侧的相同结构，所述第一对称轴和所述第二对称轴相对平行于所述主对称轴，所述第一音叉结构包括：
第一质量块，所述第一质量块呈框形；
第一驱动单元，位于所述第一质量块外侧；以及
第一检测单元，位于所述第一质量块内侧，
其中，所述第一驱动单元和所述第一检测单元通过部分所述梁结构分别与所述第一质量块连接。
可选地，所述第一驱动单元关于所述第一对称轴对称分布，所述第一驱动单元包括第一子驱动单元与第二子驱动单元，
其中，所述第一子驱动单元与所述第二子驱动单元关于第三对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，所述第三对称轴相对平行于所述第一方向。
可选地，还包括多个桁架结构，位于所述基板上方，并与所述基板分隔，所述多个桁架结构包括第一竖向桁架与第二竖向桁架，均沿第二方向延伸，所述第二方向相对垂直于所述第一方向和所述厚度方向，
所述第一竖向桁架与所述第二竖向桁架关于所述第一对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，且两端分别与所述第一子驱动单元和所述第二子驱动单元相连。
可选地，所述多个梁结构均呈“几”字形结构，各所述梁结构包括位于开口的两个底端以及与开口相对的顶部。
可选地，所述第一耦合梁包括第一子耦合梁与第二子耦合梁，所述第一子耦合梁与所述第二子耦合梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第一对称梁包括相应的第一子对称梁与第二子对称梁，所述第一子对称梁与所述第二子对称梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第一子耦合梁的一底端与所述第一竖向桁架连接，另一底端分别与对应的所述第二耦合梁连接，
所述第二子耦合梁的一底端与所述第一竖向桁架连接，另一底端分别与对应的所述第二耦合梁连接，
所述固定部包括第一固定部与第二固定部，
所述第一子对称梁的一底端与所述第二竖向桁架相连，另一底端与所述第一固定部连接，
所述第二子对称梁的一底端与所述第二竖向桁架相连，另一底端与所述第二固定部连接。
可选地，所述多个固定部还包括第三固定部与第四固定部，
所述第一子驱动单元位于所述第一固定部与所述第三固定部之间，
所述第二子驱动单元位于所述第二固定部与所述第四固定部之间，
所述多个驱动梁还包括多个主驱动梁，所述多个主驱动梁包括：
第一驱动梁，两底端分别连接第一子驱动单元与所述第一固定部；
第二驱动梁，两底端分别连接第二子驱动单元与所述第二固定部；
第三驱动梁，两底端分别连接第一子驱动单元与所述第三固定部；以及
第四驱动梁，两底端分别连接第二子驱动单元与所述第四固定部。
可选地，所述第一驱动梁与所述第三驱动梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第二驱动梁与所述第四驱动梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第一驱动梁与所述第二驱动梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第三驱动梁与所述第四驱动梁关于所述第三对称轴对称分布。
可选地，所述多个桁架结构还包括第一横向桁架与第二横向桁架，均沿所述第一方向延伸，
所述第一横向桁架与所述第二横向桁架关于所述第三对称轴对称分布在所述第一驱动单元的两侧，
所述第一横向桁架的两端分别与所述第一驱动梁和所述第三驱动梁的顶部相连，
所述第二横向桁架的两端分别与所述第二驱动梁和所述第四驱动梁的顶部相连。
可选地，所述第一子驱动单元包括所述第一连接部以及与所述第一连接部相连的多个驱动部，所述第二子驱动单元包括所述第二连接部以及与所述第二连接部相连的多个驱动部，所述第一连接部与所述第二连接部均沿所述第一方向延伸，
其中，所述第一连接部的两端分别与所述第一驱动梁的一底端和所述第三驱动梁的一底端相连，所述第二连接部的两端分别与所述第二驱动梁的一底端和所述第四驱动梁的一底端相连。
可选地，所述多个梁结构还包括多个检测梁，所述多个检测梁包括多个检测连接梁，所述多个检测连接梁包括：第一检测连接梁、第二检测连接梁、第三检测连接梁以及第四检测连接梁，
所述第一检测连接梁与所述第二检测连接梁的两底端分别与所述第一质量块和所述第一连接部连接，
所述第三检测连接梁与所述第四检测连接梁的两底端分别与所述第一质量块和所述第二连接部连接。
可选地，所述第一检测连接梁与所述第三检测连接梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，
所述第二检测连接梁与所述第四检测连接梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，
所述第一检测连接梁与所述第二检测连接梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第三检测连接梁与所述第四检测连接梁关于所述第一对称轴对称分布。
可选地，所述第一检测单元关于第一对称轴对称分布，包括第一框架以及位于所述第一框架内的检测部，
所述多个驱动梁还包括多个驱动连接梁，所述多个驱动连接梁包括位于所述第一质量块内侧的第一驱动连接梁、第二驱动连接梁、第三驱动连接梁以及第四驱动连接梁，
所述第一驱动连接梁、所述第二驱动连接梁、所述第三驱动连接梁以及所述第四驱动连接梁的两底端分别连接所述第一质量块与第一框架。
可选地，所述第一驱动连接梁与所述第三驱动连接梁关于所述第一对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第二驱动连接梁与所述第四驱动连接梁关于所述第一对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第一驱动连接梁与所述第二驱动连接梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第三驱动连接梁与所述第四驱动连接梁关于所述第三对称轴对称分布。
可选地，所述多个桁架结构还包括第三横向桁架与第四横向桁架，均位于所述第一质量块内侧，并沿所述第一方向延伸，所述第三横向桁架与所述第四横向桁架关于所述第三对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第三横向桁架的两端分别与所述第一驱动连接梁和所述第三驱动连接梁的顶部相连，
所述第四横向桁架的两端分别与所述第二驱动连接梁和所述第四驱动连接梁的顶部相连。
可选地，所述多个固定部还包括第五固定部与第六固定部，均位于所述第一质量块内侧，
所述多个梁结构还包括多个检测梁，所述多个检测梁包括多个主检测梁，所述多个主检测梁包括位于所述第一质量块内侧的第一检测梁、第二检测梁、第三检测梁以及第四检测梁，
所述第一检测梁与所述第二检测梁的两底端分别与所述第五固定部和所述第一框架相连，
所述第三检测梁与所述第四检测梁的两底端分别与所述第六固定部和所述第一框架相连。
可选地，所述第一检测梁与所述第三检测梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第二检测梁与所述第四检测梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第一检测梁与所述第二检测梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第三检测梁与所述第四检测梁关于所述第一对称轴对称分布。
可选地，所述多个梁结构和所述多个固定部关于所述主对称轴对称分布。
根据本公开实施例提供的微机电陀螺，不仅实现了第一、第二音叉结构沿陀螺中轴线的对称，而且通过在每个音叉结构的一侧匹配与耦合梁对应的对称梁，提高了微机电陀螺的结构与受力的对称性，进而提升陀螺的性能。
进一步地，本公开实施例提供的微机电陀螺不仅实现了陀螺驱动模态和检测模态的双解耦，使驱动、检测模态互不干扰，而且通过竖向桁架分别将每个音叉结构中的驱动部连接起来，加强了其沿X轴运动的同步性以及将该运动传递到质量块的对称性；通过横向桁架将对应的驱动梁连接起来，加强了质量块与检测单元沿Y轴同步运动的对称性，从而提高了驱动、检测模态的解耦效果。
因此，本公开提供的微机电陀螺可以提高产品的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1示出了线振动音叉式微机电陀螺结构的原理示意图。
图2示出了本公开实施例的微机电陀螺的立体结构示意图。
图3示出了本公开实施例的微机电陀螺的俯视结构示意图。
图4示出了图3中第一驱动单元的结构示意图。
图5示出了图3中第一检测单元的结构示意图。
图6示出了图3中第二驱动单元的结构示意图。
图7示出了图3中第二检测单元的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本公开。在各个附图中，相同的元件采用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。此外，可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本公开的许多特定的细节，以便更清楚地理解本公开。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本公开。
本公开可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出了本公开实施例的微机电陀螺的立体结构示意图，图3示出了本公开实施例的微机电陀螺的俯视结构示意图。
如图2与图3所示，本公开的微机电陀螺包括：第一音叉结构100、第二音叉结构200、基板300、多个固定部、多个梁结构以及多个桁架结构，其中，第一音叉结构100、第二音叉结构200、多个梁结构以及多个桁架结构均位于基板300上方并与基板300分隔。多个固定部位于基板300上，用于将第一音叉结构100和第二音叉结构200分别固定在基板300上。
多个固定部包括：锚点401(第一固定部)、锚点402(第二固定部)、锚点403(第三固定部)、锚点404(第四固定部)、锚点405(第五固定部)、锚点406(第六固定部)、锚点407、锚点408、多个锚点409、锚点410、锚点411、锚点412、锚点413、锚点414、锚点415以及多个锚点416。
每个梁结构均呈“几”字形结构，包括位于开口的两个底端以及与开口相对的顶部。多个梁结构包括多个驱动梁与多个检测梁。多个驱动梁沿X轴方向(第一方向)的刚度均远小于沿Y轴方向(第二方向)的刚度，因此多个驱动梁沿X轴均容易发生形变，而沿Y轴不易发生形变。多个检测梁沿X轴方向的刚度均远大于沿Y轴方向的刚度，因此多个检测梁沿X轴均不易发生形变，而沿Y轴容易发生形变。X轴、Y轴、Z轴两两相互垂直，X轴可视为微机电陀螺的驱动轴，Y轴可视为检测轴，Z轴方向沿基板300的厚度方向，可视为敏感轴。
多个驱动梁包括第一耦合梁、第二耦合梁、第一对称梁、第二对称梁、多个主驱动梁以及多个驱动连接梁。第一耦合梁包括耦合梁511a(第一子耦合梁)与耦合梁511b(第二子耦合梁)。第二耦合梁包括耦合梁512a与耦合梁512b。第一对称梁包括对称梁513a(第一子对称梁)与对称梁513b(第二子对称梁)。第二对称梁包括对称梁514a与对称梁514b。多个主驱动梁包括驱动梁515a(第一驱动梁)、驱动梁515b(第二驱动梁)、驱动梁515c(第三驱动梁)、驱动梁515d(第四驱动梁)、驱动梁515e、驱动梁515f、驱动梁515g以及驱动梁515h。多个驱动连接梁包括：驱动连接梁516a(第一驱动连接梁)、驱动连接梁516b(第二驱动连接梁)、驱动连接梁516c(第三驱动连接梁)、驱动连接梁516d(第四驱动连接梁)、驱动连接梁516e、驱动连接梁516f、驱动连接梁516g以及驱动连接梁516h。
多个检测梁包括多个检测连接梁与多个主检测梁。多个检测连接梁包括：检测连接梁521(第一检测连接梁)、检测连接梁522(第二检测连接梁)、检测连接梁523(第三检测连接梁)、检测连接梁524(第四检测连接梁)、检测连接梁525、检测连接梁526、检测连接梁527以及检测连接梁528。多个主检测梁包括：检测梁531(第一检测梁)、检测梁532(第二检测梁)、检测梁533(第三检测梁)、检测梁534(第四检测梁)、检测梁535、检测梁536、检测梁537以及检测梁538。
多个桁架结构包括多个横向桁架与多个纵向桁架。多个横向桁架分别沿X轴方向延伸，多个纵向桁架分别沿Y轴方向延伸。
多个横向桁架包括：横向桁架611(第一横向桁架)、横向桁架612(第二横向桁架)、横向桁架615(第三横向桁架)、横向桁架616(第四横向桁架)、横向桁架621、横向桁架622、横向桁架625以及横向桁架626。
多个纵向桁架包括：纵向桁架631(第一纵向桁架)、纵向桁架632(第二纵向桁架)、纵向桁架633以及纵向桁架634。
在本实施例中，第一音叉结构100与第二音叉结构200关于A-A轴(主对称轴)对称分布。第一音叉结构100关于AL-AL轴(第一对称轴)对称分布。第二音叉结构200关于AR-AR轴(第二对称轴)对称分布。A-A轴、AL-AL轴以及AR-AR轴均相对平行于Y轴。
多个梁结构分别关于A-A轴与B-B轴(第三对称轴)对称分布，多个桁架结构分别关于A-A轴与B-B轴对称分布，多个固定部分别关于A-A轴与B-B轴对称分布。B-B轴相对平行于X轴。
图4示出了图3中第一驱动单元的结构示意图，图5示出了图3中第一检测单元的结构示意图。
如图3至图5所示，在本实施例中，第一音叉结构100包括：第一驱动单元110、第一检测单元120以及第一质量块130(第一科氏力单元)。
第一质量块130呈框形，第一检测单元120位于第一质量块130内侧。
第一驱动单元110位于第一质量块130外侧。
第一驱动单元110包括子驱动单元111(第一子驱动单元)和子驱动单元112(第二子驱动单元)。子驱动单元111与子驱动单元112关于B-B轴对称分布在第一质量块130的两侧。
子驱动单元111位于锚点401与锚点403之间，子驱动单元112位于锚点402与锚点404之间。驱动梁515a的两底端分别连接子驱动单元111与锚点401。驱动梁515b的两底端分别连接子驱动单元112与锚点402。驱动梁515c的两底端分别连接子驱动单元111与锚点403。驱动梁515d的两底端分别连接子驱动单元112与锚点404。
驱动梁515a与驱动梁515c关于AL-AL轴对称分布，驱动梁515b与驱动梁515d关于AL-AL轴对称分布，驱动梁515a与驱动梁515b的开口相对并关于B-B轴对称分布，驱动梁515c与驱动梁515d的开口相对并关于B-B轴对称分布。
横向桁架611的两端分别与驱动梁515a与驱动梁515c的顶部连接，横向桁架612的两端分别与驱动梁515b与驱动梁515d的顶部连接，其中，横向桁架611与横向桁架612关于B-B轴对称分布在第一驱动单元110的两侧。
如图3与图4所示，在本实施例中，子驱动单元111包括连接部613(第一连接部)以及与连接部613相连的多个驱动部101。子驱动单元112包括连接部614(第二连接部)以及与连接部614相连的多个驱动部101。其中，连接部613与连接部614均沿X轴方向延伸。连接部613的两端分别与驱动梁515a和驱动梁515c位于开口处的一底端相连，连接部614的两端分别与驱动梁515b和驱动梁515d位于开口处的一底端相连。
每个驱动部101为一组梳齿结构，每组梳齿结构包括可动梳齿101a和沿X轴方向分别位于可动梳齿101a两侧的固定梳齿101b与固定梳齿101c，其中，子驱动单元111中的可动梳齿101a与连接部613相连，子驱动单元112中的可动梳齿101a与连接部614相连，固定梳齿101b与101c分别和对应的锚点409相连。
如图3所示，竖向桁架631与竖向桁架632关于AL-AL轴对称分布在第一质量块130的两侧，且两端分别与子驱动单元111和子驱动单元112相连。具体的，竖向桁架631的一端与驱动梁515c的一底端相连，该底端还与连接部613相连；竖向桁架631的另一端与驱动梁515d的一底端相连，该底端还与连接部614相连。竖向桁架632的一端与驱动梁515a的一底端相连，该底端还与连接部613相连；竖向桁架632的另一端与驱动梁515b的一底端相连，该底端还与连接部614相连。
在一些其它实施例中，连接部613、竖向桁架631、连接部614以及竖向桁架632的端部依次相连构成框架结构，相应的梁结构与该框架结构相连。
检测连接梁521与检测连接梁522的两底端分别与第一质量块130和连接部613连接，检测连接梁523与检测连接梁524的两底端分别与第一质量块130和连接部614连接。
检测连接梁521与检测连接梁522关于AL-AL轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测连接梁523与检测连接梁524关于AL-AL轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测连接梁521与检测连接梁523关于B-B轴对称分布在第一质量块130的两侧。检测连接梁522与检测连接梁524关于B-B轴对称分布在第一质量块130的两侧。
如图3与图5所示，在本实施例中，第一检测单元120包括第一框架121与位于第一框架121内侧的检测部，检测部包括由多个固定极板122a与多个可动极板122b构成的多个电容。其中，一部分固定极板122a与锚点407相连，另一部分固定极板122a与锚点408相连。可动极板122b均与第一框架121相连。
如图3所示，驱动连接梁516a、驱动连接梁516b、驱动连接梁516c以及驱动连接梁516d均位于第一质量块130内侧，且驱动连接梁516a/516b/516c/516d的两底端分别连接第一质量块130与第一框架121。
驱动连接梁516a与驱动连接梁516b关于B-B轴对称分布，且开口相对两底端相连。驱动连接梁516c与驱动连接梁516d关于B-B轴对称分布，且开口相对两底端相连。驱动连接梁516a与驱动连接梁516c关于AL-AL轴对称分布在第一框架121的两侧。驱动连接梁516b与驱动连接梁516d关于AL-AL轴对称分布在第一框架121的两侧。
横向桁架615与横向桁架616均位于第一质量块130内侧，并关于B-B轴对称分布在第一框架121两侧。横向桁架615的两端分别与驱动连接梁516a和驱动连接梁516c的顶部相连，横向桁架616的两端分别与驱动连接梁516b和驱动连接梁516d的顶部相连。
锚点405、锚点406、检测梁531、检测梁532、检测梁533以及检测梁534均位于第一质量块130内侧。检测梁531与检测梁532的两底端分别与锚点405和第一框架121相连。检测梁533与检测梁534的两底端分别与锚点406和第一框架121相连。
检测梁531与检测梁532关于AL-AL轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测梁533与检测梁534关于AL-AL轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测梁531与检测梁533关于B-B轴对称分布在第一框架121的两侧。检测梁532与检测梁534关于B-B轴对称分布在第一框架121的两侧。
图6示出了图3中第二驱动单元的结构示意图，图7示出了图3中第二检测单元的结构示意图。
如图3、图6和图7所示，在本实施例中，第二音叉结构200包括：第二驱动单元210、第二检测单元220以及第二质量块230(第二科氏力单元)。第二质量块230呈框形，第二检测单元220位于第二质量块230内侧。第二驱动单元210位于第二质量块230外侧。
第二驱动单元210包括子驱动单元211和子驱动单元212。子驱动单元211与子驱动单元212关于B-B轴对称分布在第二质量块230的两侧。
子驱动单元211位于锚点410与锚点403之间，子驱动单元212位于锚点411与锚点404之间。驱动梁515e的两底端分别连接子驱动单元211与锚点410。驱动梁515f的两底端分别连接子驱动单元212与锚点411。驱动梁515g的两底端分别连接子驱动单元211与锚点403。驱动梁515h的两底端分别连接子驱动单元212与锚点404。
驱动梁515e与驱动梁515g关于AR-AR轴对称分布，驱动梁515f与驱动梁515h关于AR-AR轴对称分布，驱动梁515e与驱动梁515f的开口相对并关于B-B轴对称分布，驱动梁515g与驱动梁515h的开口相对并关于B-B轴对称分布。
横向桁架621的两端分别与驱动梁515e与驱动梁515g的顶部连接，横向桁架622的两端分别与驱动梁515f与驱动梁515h的顶部连接，其中，横向桁架621与横向桁架622关于B-B轴对称分布在第二驱动单元210的两侧。
如图3与图6所示，在本实施例中，子驱动单元211包括连接部623以及与连接部623相连的多个驱动部201。子驱动单元212包括连接部624以及与连接部624相连的多个驱动部201。其中，连接部623与连接部624均沿X轴方向延伸。连接部623的两端分别与驱动梁515e和驱动梁515g位于开口处的一底端相连，连接部624的两端分别与驱动梁515f和驱动梁515h位于开口处的一底端相连。
每个驱动部201为一组梳齿结构，每组梳齿结构包括可动梳齿201a和沿X轴方向分别位于可动梳齿201a两侧的固定梳齿201b与固定梳齿201c，其中，子驱动单元211中的可动梳齿201a与连接部623相连，子驱动单元212中的可动梳齿201a与连接部624相连，固定梳齿201b与201c分别和对应的锚点416相连。
如图3所示，竖向桁架633与竖向桁架634关于AR-AR轴对称分布在第二质量块230的两侧，且两端分别与子驱动单元211和子驱动单元212相连。具体的，竖向桁架633的一端与驱动梁515g的一底端相连，该底端还与连接部623相连；竖向桁架633的另一端与驱动梁515h的一底端相连，该底端还与连接部624相连。竖向桁架634的一端与驱动梁515e的一底端相连，该底端还与连接部623相连；竖向桁架634的另一端与驱动梁515f的一底端相连，该底端还与连接部624相连。
在一些其它实施例中，连接部623、竖向桁架633、连接部624以及竖向桁架634的端部依次相连构成框架结构，相应的梁结构与该框架结构相连。
如图3所示，检测连接梁525与检测连接梁526的两底端分别与第二质量块230和连接部623连接，检测连接梁527与检测连接梁528的两底端分别与第二质量块230和连接部624连接。
检测连接梁525与检测连接梁526关于AR-AR轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测连接梁527与检测连接梁528关于AR-AR轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测连接梁525与检测连接梁527关于B-B轴对称分布在第二质量块230的两侧。检测连接梁526与检测连接梁528关于B-B轴对称分布在第二质量块230的两侧。
如图3与图7所示，在本实施例中，第二检测单元220包括第二框架221与位于第二框架221内侧的检测部，检测部包括由多个固定极板222a与多个可动极板222b构成的多个电容。其中，一部分固定极板222a与锚点414相连，另一部分固定极板222a与锚点415相连。可动极板222b均与第二框架221相连。
如图3所示，驱动连接梁516e、驱动连接梁516f、驱动连接梁516g以及驱动连接梁516h均位于第二质量块230内侧，且驱动连接梁516e/516f/516g/516h的两底端分别连接第二质量块230与第二框架221。
驱动连接梁516e与驱动连接梁516f关于B-B轴对称分布，且开口相对两底端相连。驱动连接梁516g与驱动连接梁516h关于B-B轴对称分布，且开口相对两底端相连。驱动连接梁516e与驱动连接梁516g关于AR-AR轴对称分布在第二框架221的两侧。驱动连接梁516f与驱动连接梁516h关于AR-AR轴对称分布在第二框架221的两侧。
横向桁架625与横向桁架626均位于第二质量块230内侧，并关于B-B轴对称分布在第二框架221两侧。横向桁架625的两端分别与驱动连接梁516e和驱动连接梁516g的顶部相连，横向桁架626的两端分别与驱动连接梁516f和驱动连接梁516h的顶部相连。
锚点412、锚点413、检测梁535、检测梁536、检测梁537以及检测梁538均位于第二质量块230内侧。检测梁535与检测梁536的两底端分别与锚点412和第二框架221相连。检测梁537与检测梁538的两底端分别与锚点413和第二框架221相连。
检测梁535与检测梁536关于AR-AR轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测梁537与检测梁538关于AR-AR轴对称分布，且顶部相对并分隔。检测梁535与检测梁537关于B-B轴对称分布在第二框架221的两侧。检测梁536与检测梁538关于B-B轴对称分布在第二框架221的两侧。
图3所示，在本实施例中，耦合梁511a与耦合梁512a沿A-A轴对称分布。耦合梁511a的一底端与耦合梁512a的一底端相连，耦合梁511a的另一底端与竖向桁架631相连，耦合梁512a的另一底端与竖向桁架633相连。耦合梁511b与耦合梁512b沿A-A轴对称分布。耦合梁511b的一底端与耦合梁512b的一底端相连，耦合梁511b的另一底端与竖向桁架631相连，耦合梁512b的另一底端与竖向桁架633相连。耦合梁511a与耦合梁511b沿B-B轴对称分布，且顶部相对并分隔。耦合梁512a与耦合梁512b沿B-B轴对称分布，且顶部相对并分隔。
对称梁513a与耦合梁511a沿AL-AL轴对称分布。对称梁513a的一底端与锚点401相连，另一底端与竖向桁架632相连。对称梁513b与耦合梁511b沿AL-AL轴对称分布。对称梁513b的一底端与锚点402相连，另一底端与竖向桁架632相连。对称梁513a与对称梁513b沿B-B轴对称分布，且顶部相对并分隔。
对称梁514a与耦合梁512a沿AR-AR轴对称分布。对称梁514a的一底端与锚点410相连，另一底端与竖向桁架634相连。对称梁514b与耦合梁512b沿AR-AR轴对称分布。对称梁514b的一底端与锚点411相连，另一底端与竖向桁架634相连。对称梁514a与对称梁514b沿B-B轴对称分布，且顶部相对并分隔。
然而，本实施例中的第一音叉结构100、第二音叉结构200、多个固定部、多个梁结构以及多个桁架结构的数量、位置、结构并不限于此，可以根据实际情况，对微机电陀螺的具体形式可做一定的调整。
在本实施例中，驱动梁515a至515h以及对称梁513a/513b/514a/514b分别受锚点固定，而耦合梁511a/511b分别与耦合梁512a/512b相连，从而实现了第一音叉结构100与第二音叉结构200的能量耦合。在理想情况下，耦合梁511a/511b与耦合梁512a/512b的连接处不动，相当于受锚点固定。
对于第一音叉结构100而言，检测连接梁521/522/523/524的一底端连接第一驱动单元110，另一底端连接第一质量块130，从而实现第一驱动单元110与第一质量块130沿X轴运动的同步。驱动连接梁516a/516b/516c/516d的一底端连接第一检测单元120，另一底端连接第一质量块130，从而实现第一检测单元120与第一质量块130沿Y轴运动的同步。
对于第二音叉结构200而言，检测连接梁525/526/527/528的一底端连接第二驱动单元210，另一底端连接第二质量块230，从而实现第二驱动单元210与第二质量块230沿X轴运动的同步。驱动连接梁516e/516f/516g/516h的一底端连接第二检测单元220，另一底端连接第二质量块230，从而实现第二检测单元220与第二质量块230沿Y轴运动的同步。
以第一音叉结构100为例，在微机电陀螺工作时，第一驱动单元110在静电力的作用下沿X轴以谐振频率振动，驱动梁515a/515b/515c/515d、驱动连接梁516a/516b/516c/516d、耦合梁511a/511b、对称梁513a/513b发生沿X轴的形变。在检测连接梁521/522/523/524的作用下，带动第一质量块130同步运动。又由于检测梁531/532/533/534的约束，第一检测单元120不发生沿X轴的位移。当有沿Z轴的角速率输入时，第一驱动单元110和第一质量块130在科氏力作用下产生沿Y轴的运动趋势。同时，第一质量块130在驱动连接梁516a/516b/516c/516d的作用下，带动第一检测单元120沿Y轴同步运动。检测连接梁521/522/523/524、检测梁531/532/533/534发生沿Y轴的形变。但第一驱动单元110在驱动梁515a/515b/515c/515d的约束下，不发生沿Y轴的位移。第二音叉结构200的工作原理可参照第一音叉结构100，此处不再赘述。通过这样的设计，第一音叉结构100与第二音叉结构200中的驱动单元与检测单元的运动互不影响，从而实现了微机电陀螺的驱动模态和检测模态的双解耦功能。
进一步地，还以第一音叉结构100为例，通过连接部613/614、竖向桁架631/632将全部的驱动部101(具体为可动梳齿101a)连接在一起，从而增强了所有驱动部101沿X轴运动的同步性以及将运动传递到第一质量块130的对称性。
“几”字形驱动连接梁516a和516c的顶部通过横向桁架615连接在一起，“几”字形驱动连接梁516b和516d的顶部通过横向桁架616连接在一起，加强了第一质量块130与第一检测单元120沿Y轴同步运动的对称性。“几”字形驱动梁515a和515c的顶部通过横向桁架611连接在一起，加强了连接部613沿Y轴受压力或拉力的对称性。“几”字形驱动梁515b和515d的顶部通过横向桁架612连接在一起，加强了连接部614沿Y轴受拉力或压力的对称性。通过横向桁架结构的设计，进一步提高了微机电陀螺的驱动模态和检测模态的双解耦效果。
根据本公开实施例提供的微机电陀螺，不仅实现了第一、第二音叉结构沿陀螺中轴线(主对称轴)的对称，而且通过在每个音叉结构的一侧匹配与耦合梁对应的对称梁，提高了微机电陀螺的结构与受力的对称性，进而提升陀螺的性能。
进一步地，本公开实施例提供的微机电陀螺不仅实现了驱动模态和检测模态的双解耦，使驱动、检测模态互不干扰，而且通过竖向桁架分别将每个音叉结构中的驱动部连接起来，加强了其沿X轴运动的同步性以及将该运动传递到质量块的对称性；通过横向桁架将对应的驱动梁连接起来，加强了质量块与检测单元沿Y轴同步运动的对称性，从而提高了驱动、检测模态的解耦效果。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (15)

1.一种微机电陀螺，包括：
基板；
第一音叉结构与第二音叉结构，分别位于所述基板上方并与所述基板分隔；
多个固定部，固定于所述基板上；以及
多个梁结构，位于所述基板上方并与所述基板分隔，所述第一音叉结构与所述第二音叉结构分别通过相应的所述梁结构与相应的所述固定部连接，
其中，所述多个梁结构包括多个驱动梁，所述多个驱动梁包括：
相连的第一耦合梁与第二耦合梁，位于所述第一音叉结构与所述第二音叉结构之间，用于将所述第一音叉结构与所述第二音叉结构耦合连接；
第一对称梁，与所述第一音叉结构相连，所述第一对称梁与所述第一耦合梁关于第一对称轴对称分布在所述第一音叉结构的两侧；以及
第二对称梁，与所述第二音叉结构相连，所述第二对称梁与所述第二耦合梁关于第二对称轴对称分布在所述第二音叉结构的两侧，
其中，所述第一对称轴与所述第二对称轴均相对垂直于所述基板的厚度方向和所述微机电陀螺的驱动轴，所述驱动轴沿第一方向延伸并相对垂直于所述厚度方向，
所述第一音叉结构包括第一质量块与第一驱动单元，
所述第一驱动单元关于所述第一对称轴对称分布，所述第一驱动单元包括第一子驱动单元与第二子驱动单元，
其中，所述第一子驱动单元与所述第二子驱动单元关于第三对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，所述第三对称轴相对平行于所述第一方向，
所述微机电陀螺还包括多个桁架结构，位于所述基板上方，并与所述基板分隔，所述多个桁架结构包括第一竖向桁架与第二竖向桁架，均沿第二方向延伸，所述第二方向相对垂直于所述第一方向和所述厚度方向，
所述第一竖向桁架与所述第二竖向桁架关于所述第一对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，且两端分别与所述第一子驱动单元和所述第二子驱动单元相连，
所述第一耦合梁包括第一子耦合梁与第二子耦合梁，所述第一子耦合梁与所述第二子耦合梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第一对称梁包括相应的第一子对称梁与第二子对称梁，所述第一子对称梁与所述第二子对称梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第一子耦合梁的一底端与所述第一竖向桁架连接，另一底端分别与对应的所述第二耦合梁连接，
所述第二子耦合梁的一底端与所述第一竖向桁架连接，另一底端分别与对应的所述第二耦合梁连接，
所述固定部包括第一固定部与第二固定部，
所述第一子对称梁的一底端与所述第二竖向桁架相连，另一底端与所述第一固定部连接，
所述第二子对称梁的一底端与所述第二竖向桁架相连，另一底端与所述第二固定部连接。
2.根据权利要求1所述的微机电陀螺，其中，所述第一音叉结构与所述第二音叉结构为对称分布在主对称轴两侧的相同结构，所述第一对称轴和所述第二对称轴相对平行于所述主对称轴，所述第一音叉结构还包括第一检测单元，
所述第一质量块呈框形，
所述第一驱动单元位于所述第一质量块外侧，
所述第一检测单元位于所述第一质量块内侧，
其中，所述第一驱动单元和所述第一检测单元通过部分所述梁结构分别与所述第一质量块连接。
3.根据权利要求2所述的微机电陀螺，其中，所述多个梁结构均呈“几”字形结构，各所述梁结构包括位于开口的两个底端以及与开口相对的顶部。
4.根据权利要求2所述的微机电陀螺，其中，所述多个固定部还包括第三固定部与第四固定部，
所述第一子驱动单元位于所述第一固定部与所述第三固定部之间，
所述第二子驱动单元位于所述第二固定部与所述第四固定部之间，
所述多个驱动梁还包括多个主驱动梁，所述多个主驱动梁包括：
第一驱动梁，两底端分别连接第一子驱动单元与所述第一固定部；
第二驱动梁，两底端分别连接第二子驱动单元与所述第二固定部；
第三驱动梁，两底端分别连接第一子驱动单元与所述第三固定部；以及
第四驱动梁，两底端分别连接第二子驱动单元与所述第四固定部。
5.根据权利要求4所述的微机电陀螺，其中，所述第一驱动梁与所述第三驱动梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第二驱动梁与所述第四驱动梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第一驱动梁与所述第二驱动梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第三驱动梁与所述第四驱动梁关于所述第三对称轴对称分布。
6.根据权利要求5所述的微机电陀螺，其中，所述多个桁架结构还包括第一横向桁架与第二横向桁架，均沿所述第一方向延伸，
所述第一横向桁架与所述第二横向桁架关于所述第三对称轴对称分布在所述第一驱动单元的两侧，
所述第一横向桁架的两端分别与所述第一驱动梁和所述第三驱动梁的顶部相连，
所述第二横向桁架的两端分别与所述第二驱动梁和所述第四驱动梁的顶部相连。
7.根据权利要求6所述的微机电陀螺，其中，所述第一子驱动单元包括第一连接部以及与所述第一连接部相连的多个驱动部，所述第二子驱动单元包括第二连接部以及与所述第二连接部相连的多个驱动部，所述第一连接部与所述第二连接部均沿所述第一方向延伸，
其中，所述第一连接部的两端分别与所述第一驱动梁的一底端和所述第三驱动梁的一底端相连，所述第二连接部的两端分别与所述第二驱动梁的一底端和所述第四驱动梁的一底端相连。
8.根据权利要求7所述的微机电陀螺，其中，所述多个梁结构还包括多个检测梁，所述多个检测梁包括多个检测连接梁，所述多个检测连接梁包括：第一检测连接梁、第二检测连接梁、第三检测连接梁以及第四检测连接梁，
所述第一检测连接梁与所述第二检测连接梁的两底端分别与所述第一质量块和所述第一连接部连接，
所述第三检测连接梁与所述第四检测连接梁的两底端分别与所述第一质量块和所述第二连接部连接。
9.根据权利要求8所述的微机电陀螺，其中，所述第一检测连接梁与所述第三检测连接梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，
所述第二检测连接梁与所述第四检测连接梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一质量块的两侧，
所述第一检测连接梁与所述第二检测连接梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第三检测连接梁与所述第四检测连接梁关于所述第一对称轴对称分布。
10.根据权利要求9所述的微机电陀螺，其中，所述第一检测单元关于第一对称轴对称分布，包括第一框架以及位于所述第一框架内的检测部，
所述多个驱动梁还包括多个驱动连接梁，所述多个驱动连接梁包括位于所述第一质量块内侧的第一驱动连接梁、第二驱动连接梁、第三驱动连接梁以及第四驱动连接梁，
所述第一驱动连接梁、所述第二驱动连接梁、所述第三驱动连接梁以及所述第四驱动连接梁的两底端分别连接所述第一质量块与第一框架。
11.根据权利要求10所述的微机电陀螺，其中，所述第一驱动连接梁与所述第三驱动连接梁关于所述第一对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第二驱动连接梁与所述第四驱动连接梁关于所述第一对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第一驱动连接梁与所述第二驱动连接梁关于所述第三对称轴对称分布，
所述第三驱动连接梁与所述第四驱动连接梁关于所述第三对称轴对称分布。
12.根据权利要求11所述的微机电陀螺，其中，所述多个桁架结构还包括第三横向桁架与第四横向桁架，均位于所述第一质量块内侧，并沿所述第一方向延伸，所述第三横向桁架与所述第四横向桁架关于所述第三对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第三横向桁架的两端分别与所述第一驱动连接梁和所述第三驱动连接梁的顶部相连，
所述第四横向桁架的两端分别与所述第二驱动连接梁和所述第四驱动连接梁的顶部相连。
13.根据权利要求12所述的微机电陀螺，其中，所述多个固定部还包括第五固定部与第六固定部，均位于所述第一质量块内侧，
所述多个梁结构还包括多个检测梁，所述多个检测梁包括多个主检测梁，所述多个主检测梁包括位于所述第一质量块内侧的第一检测梁、第二检测梁、第三检测梁以及第四检测梁，
所述第一检测梁与所述第二检测梁的两底端分别与所述第五固定部和所述第一框架相连，
所述第三检测梁与所述第四检测梁的两底端分别与所述第六固定部和所述第一框架相连。
14.根据权利要求13所述的微机电陀螺，其中，所述第一检测梁与所述第三检测梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第二检测梁与所述第四检测梁关于所述第三对称轴对称分布在所述第一框架的两侧，
所述第一检测梁与所述第二检测梁关于所述第一对称轴对称分布，
所述第三检测梁与所述第四检测梁关于所述第一对称轴对称分布。
15.根据权利要求2-14任一项所述的微机电陀螺，其中，所述多个梁结构和所述多个固定部关于所述主对称轴对称分布。
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基于控制力矩陀螺的大型空间结构分布式振动抑制;王帅;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20200229(第02期);第C031-1526页 *

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