CN117537796A - 一种三轴mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪技术领域，公开一种三轴MEMS陀螺仪，包括：四个质量块，四个质量块呈正交对称分布，分别为第一质量块、第二质量块、第三质量块及第四质量块；中心耦合组件，包括中心锚点和中心连接件；检测块和检测连接梁，检测块的个数为四个，四个检测块分别与四个质量块一一对应设置，设置在第二质量块和第四质量块上的检测块和与其正对的衬底形成第一方向检测电极，设置在第一质量块和第三质量块上的检测块和与其正对衬底形成第二方向检测电极；第三方向检测电极组，设置在质量块上且能够检测第三方向的角速度。本发明公开的三轴MEMS陀螺仪增设的检测块和检测连接梁能够提升检测的线性度，有效增加测量精度。

Description

一种三轴MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种三轴MEMS陀螺仪。

背景技术

与传统的陀螺仪不同，MEMS陀螺仪并没有旋转部件，也不需要轴承，而是通过检测质量块的运动检测旋转轴的角位移、角速度及角加速度。近年来，MEMS陀螺仪以其尺寸小、价格低的优势广泛应用在汽车、航空、医疗以及消费电子产品等各个领域。已有的三轴MEMS陀螺仪在检测X轴方向的角速度和Y轴方向的角速度时采用面外平板电容检测，检测质量块和检测电极的相对运动为转动，线性度较低。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种三轴MEMS陀螺仪，将检测块的转动转化为平动，提升了检测的线性度。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三轴MEMS陀螺仪，包括：

四个质量块，四个所述质量块呈正交对称分布，沿第一方向分布的两个所述质量块分别为第一质量块和第三质量块，另外两个沿第二方向分布的所述质量块分别为第二质量块和第四质量块；

中心耦合组件，包括中心锚点和中心连接件，所述中心锚点与所述质量块弹性连接，所述中心连接件的一端与所述中心锚点弹性相连，另一端与所述质量块弹性相连；

检测块和检测连接梁，所述检测块的个数为四个，四个所述检测块分别与四个所述质量块一一对应设置，每个所述检测块均通过所述检测连接梁设置在所述质量块内，所述检测块能够相对于所述质量块沿第三方向移动，设置在所述第二质量块和所述第四质量块上的所述检测块和与其正对的衬底形成第一方向检测电极，设置在所述第一质量块和所述第三质量块上的所述检测块和与其正对所述衬底形成第二方向检测电极；

第三方向检测电极组，设置在所述质量块上且能够检测第三方向的角速度，所述第三方向、所述第一方向及所述第二方向两两垂直；

检测所述第一方向的角速度时，所述第二质量块和所述第四质量块上的所述检测块能够沿所述第三方向反向运动，所述第一方向检测电极能够检测第一方向的角速度；检测所述第二方向的角速度时，所述第一质量块和所述第三质量块上的所述检测块能够沿所述第三方向反向运动，所述第二方向检测电极能够检测第二方向的角速度。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，每个所述检测块均与四个所述检测连接梁对应设置，四个所述检测连接梁分别设置在所述检测块的四条边上。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，每个所述检测连接梁均包括第一检测连接直梁和两个第二检测连接直梁，所述第一检测连接直梁的两端分别与两个所述第二检测连接直梁相连，两个所述第二检测连接直梁平行设置，其中一个所述第二检测连接直梁与所述质量块相连，另一个所述第二检测连接直梁与所述检测块相连。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，所述第三方向检测电极组的个数为四个，四个所述第三方向检测电极组分别与四个所述质量块一一对应，四个所述第三方向检测电极组以四个所述质量块的中心为圆心分布在同一个圆上。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，每个所述第三方向检测电极组均为差分电极且包括第三方向第一检测子电极和第三方向第二检测子电极，所述质量块沿所述第三方向转动时，所述第三方向第一检测子电极和所述第三方向第二检测子电极的电容量呈同步反相变化。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，所述第三方向第一检测子电极和所述第三方向第二检测子电极均为梳齿检测电极，所述梳齿检测电极的梳齿为弧状梳齿，所述弧状梳齿以四个所述质量块的中心为圆心。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，所述中心耦合组件的个数为四个，四个所述中心耦合组件和四个所述质量块一一对应设置，每个所述中心连接件均包括依次连接的第一中心连接弹性件、中心移动块及第二中心连接弹性件，所述第一中心连接弹性件与所述质量块相连，所述第二中心连接弹性件与所述中心锚点相连，四个所述中心耦合组件的所述中心移动块一体成型为中心连接块。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，所述三轴MEMS陀螺仪还包括能够沿所述第一方向或者所述第二方向伸缩的第一弹性连接件，所述第一弹性连接件的一端与所述质量块相连，另一端与所述中心锚点相连。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，所述三轴MEMS陀螺仪还包括驱动电极和驱动检测电极，所述驱动电极的活动部分和所述驱动检测电极的活动部分均设置在所述质量块上，所述驱动电极能够驱动四个所述质量块同时朝向靠近或者远离所述中心耦合组件的方向做简谐振动，所述驱动检测电极能够检测所述质量块沿所述第一方向或者所述第二方向的简谐振动。

作为一种三轴MEMS陀螺仪的优选方案，所述三轴MEMS陀螺仪还包括端部锚点、中间锚点、第二弹性连接件及第三弹性连接件，所述质量块的端部通过所述第二弹性连接件与所述端部锚点相连，所述质量块的中部通过所述第三弹性连接件与所述中间锚点相连。

本发明的有益效果为：

本发明公开的三轴MEMS陀螺仪，由于四个质量块呈正交对称分布，设置在质量块上的检测块也呈正交对称分布，形成全差分输出，检测第一方向和第二方向的角速度时，检测块受到沿第三方向的科氏力，从而沿第三方向产生位移，其中，根据第一方向检测电极检测的电容量变化能够得到第一方向的角速度，根据第二方向检测电极检测的电容量变化能够得到第二方向的角速度，检测块受检测连接梁的影响，检测块沿第三方向的运动接近平动，与现有的质量块转动相比，线性度更高，增加了检测的灵敏度，此外，设置在质量块上的第三方向检测电极组还能够检测第三方向的角速度，实现该三轴MEMS陀螺仪对三个方向角速度的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪的示意图；

图2是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪的部分结构示意图；

图3是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪的中心耦合组件和第一弹性连接件的示意图；

图4是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪在驱动状态下的示意图；

图5是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪在检测第一方向角速度时的示意图；

图6是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪在检测第二方向角速度时的示意图；

图7是本发明具体实施例提供的三轴MEMS陀螺仪在检测第三方向角速度时的示意图。

图中：

11、第一质量块；12、第二质量块；13、第三质量块；14、第四质量块；

2、中心耦合组件；21、中心锚点；22、中心连接件；221、第一中心连接弹性件；2211、第一中心连接框；2212、中心连接直梁；222、中心移动块；223、第二中心连接弹性件；2231、第二中心连接框；

31、检测块；32、检测连接梁；321、第一检测连接直梁；322、第二检测连接直梁；

4、第三方向检测电极组；41、第三方向第一检测子电极；42、第三方向第二检测子电极；

51、第一弹性连接件； 52、第二弹性连接件； 53、第三弹性连接件；

61、驱动电极； 62、驱动检测电极；

71、端部锚点；72、中间锚点；

8、耦合弹性件。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种三轴MEMS陀螺仪，如图1至图3所示，包括四个质量块、中心耦合组件2、检测块31、检测连接梁32及第三方向检测电极组4，四个质量块呈正交对称分布，沿第一方向分布的两个质量块分别为第一质量块11和第三质量块13，另外两个沿第二方向分布的质量块分别为第二质量块12和第四质量块14，中心耦合组件2包括中心锚点21和中心连接件22，中心锚点21与质量块弹性连接，中心连接件22的一端与中心锚点21弹性相连，另一端与质量块弹性相连，检测块31的个数为四个，四个检测块31分别与四个质量块一一对应设置，每个检测块31均通过检测连接梁32设置在质量块内，检测块31能够相对于质量块沿第三方向移动，设置在第二质量块12和第四质量块14上的检测块31和与其正对的衬底形成第一方向检测电极，设置在第一质量块11和第三质量块13上的检测块31和与其正对衬底形成第二方向检测电极，第三方向检测电极组4设置在质量块上且能够检测第三方向的角速度，第三方向、第一方向及第二方向两两垂直。

具体地，如图1所示，本实施例的第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。如图2所示，该三轴MEMS陀螺仪还包括耦合弹性件8，相邻两个质量块之间通过耦合弹性件8连接，使得四个质量块之间耦合连接。具体地，本实施例的耦合弹性件8为U型弹簧，耦合弹性件8的开口方向与X轴方向和Y轴方向的夹角均为45°。

具体地，本实施例的检测块31为长方块，每个检测块31均与四个检测连接梁32对应，四个检测连接梁32分别设置在检测块31的四条边上，以保证检测块31通过检测连接梁32与质量块相连，检测第一方向的角速度时，第二质量块12和第四质量块14上的检测块31能够沿第三方向反向运动，两个第一方向检测电极组成差分电极，从而能够检测第一方向的角速度；检测第二方向的角速度时，第一质量块11和第三质量块13上的检测块31能够沿第三方向反向运动，两个第二方向检测电极组成差分电极，从而能够检测第二方向的角速度。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，每个检测块31对应的检测连接梁32的个数还可以为两个，分别与第一质量块11和第三质量块13上的检测块31对应的两个检测连接梁32沿第一方向分布，与第二质量块12和第四质量块14上的检测块31对应的两个检测连接梁32沿第二方向分布，每个检测块31对应的检测连接梁32的个数具体根据实际需要设置。

本实施例提供的三轴MEMS陀螺仪，由于四个质量块呈正交对称分布，设置在质量块上的检测块31也呈正交对称分布，形成全差分输出，检测第一方向和第二方向的角速度时，根据右手定则，检测块31受到沿第三方向的科氏力，从而沿第三方向产生位移，其中，根据第一方向检测电极检测的电容量变化能够得到第一方向的角速度，根据第二方向检测电极检测的电容量变化能够得到第二方向的角速度，检测块31受检测连接梁32的影响，检测块31沿第三方向的运动接近平动，与现有的质量块转动相比，线性度更高，增加了检测的灵敏度，此外，设置在质量块上的第三方向检测电极组4还能够检测第三方向的角速度，实现该三轴MEMS陀螺仪对三个方向角速度的检测。

进一步地，如图2所示，本实施例的每个检测连接梁32均包括四个第一检测连接直梁321和两个第二检测连接直梁322，四个第一检测连接直梁321平行设置，每个第一检测连接直梁321的两端均分别与两个第二检测连接直梁322相连，两个第二检测连接直梁322平行设置，其中一个第二检测连接直梁322与质量块相连，另一个第二检测连接直梁322与检测块31相连。通过调节第一检测连接直梁321的梁宽和/或间隙可以有效的将检测块31的转动调整为沿第三方向的平动。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一检测连接直梁321的个数并不限于本实施例的四个，还可以为一个、两个、三个或者多于四个，这些第一检测连接直梁321平行分布，具体个数根据实际需要设置。

如图1所示，本实施例的第三方向检测电极组4的个数为四个，四个第三方向检测电极组4分别与四个质量块一一对应，四个第三方向检测电极组4以四个质量块的中心为圆心分布在同一个圆上。每个第三方向检测电极组4均为差分电极且包括第三方向第一检测子电极41和第三方向第二检测子电极42，质量块沿第三方向转动时，第三方向第一检测子电极41和第三方向第二检测子电极42的电容量呈同步反相变化。第三方向第一检测子电极41和第三方向第二检测子电极42均为梳齿检测电极，梳齿检测电极的梳齿为弧状梳齿，弧状梳齿能够避免梳齿检测电极的固定部分和活动部分互相干涉，弧状梳齿以四个质量块的中心为圆心。

检测第三方向的角速度时，根据右手定则，四个质量块受到科氏力并以上述圆心为转动中心绕Z轴做简谐振动，第三方向检测电极组4设置在同一个圆上能够保证同一时刻电容变化的一致性，这种第三方向检测电极组4的电容检测方式为变面积检测，目前已有的第三方向检测电极方式一般为变间隙检测，即通过第三方向检测电极的可动部分和固定部分的间隙变化来检测电容，变面积检测与变间隙检测相比，线性度更高。

本实施例的中心耦合组件2的个数为四个，四个中心耦合组件2和四个质量块一一对应设置，中心耦合组件2能够隔离外部应力，降低外界环境对三轴MEMS陀螺仪性能的影响，提高三轴MEMS陀螺的环境可靠性。每个中心连接件22均包括依次连接的第一中心连接弹性件221、中心移动块222及第二中心连接弹性件223，第一中心连接弹性件221与质量块相连，第二中心连接弹性件223与中心锚点21相连，四个中心耦合组件2的中心移动块222一体成型为中心连接块。

具体地，第一中心连接弹性件221包括第一中心连接框2211和中心连接直梁2212，第一中心连接框2211能够沿与之相连的中心连接直梁2212的长度方向发生变形，第一中心连接弹性件221能够提供三个方向的刚度，即该第一中心连接弹性件221能够沿第一方向、第二方向及第三方向运动。

每个第二中心连接弹性件223均位于两个第一中心连接弹性件221之间且均包括多个相连的第二中心连接框2231，第二中心连接框2231能够沿第一方向、第二方向及第三方向变形，从而有效隔离中心锚点21带来的外部应力。

本实施例的三轴MEMS陀螺仪还包括能够沿第一方向或者第二方向伸缩的第一弹性连接件51，第一弹性连接件51的一端与质量块相连，第一弹性连接件51的另一端与中心锚点21相连。具体地，本实施例的第一弹性连接件51为U型弹簧，与第一质量块11和第三质量块13相连的第一弹性连接件51能够沿第一方向伸缩，与第二直质量块12和第四质量块14相连的第一弹性连接件51能够沿第二方向伸缩。

本实施例的三轴MEMS陀螺仪还包括驱动电极61和驱动检测电极62，驱动电极61的活动部分和驱动检测电极62的活动部分均设置在质量块上，驱动电极61的固定部分和驱动检测电极62的固定部分均设置在衬底上，驱动电极61能够驱动四个质量块同时朝向靠近或者远离中心耦合组件2的方向做简谐振动，驱动检测电极62能够检测质量块沿第一方向或者第二方向的简谐振动。具体地，本实施例的每个质量块上均设有两个驱动电极61和一个驱动检测电极62，与每个质量块对应的驱动检测电极62均位于两个驱动电极61之间，驱动电极61和驱动检测电极62均为梳齿电极。

本实施例的三轴MEMS陀螺仪还包括端部锚点71、中间锚点72、第二弹性连接件52及第三弹性连接件53，质量块的端部通过第二弹性连接件52与端部锚点71相连，质量块的中部通过第三弹性连接件53与中间锚点72相连。具体地，第二弹性连接件52和第三弹性连接件53均为鱼钩梁，与第一质量块11和第三质量块13相连的第二弹性连接件52和第三弹性连接件53能够沿第一方向伸缩，而与第二质量块12和第四质量块14相连的第二弹性连接件52和第三弹性连接件53能够沿第二方向伸缩。

需要说明的是，本实施例的检测连接梁32在第一方向和第二方向的刚度是第三方向的刚度的6倍以上，且沿第一方向伸缩的第一弹性连接件51、第二弹性连接件52及第三弹性连接件53在第一方向上的刚度远小于第二方向的刚度和第三方向的刚度，沿第二方向伸缩的第一弹性连接件51、第二弹性连接件52及第三弹性连接件53在第二方向上的刚度远小于第一方向的刚度和第三方向的刚度，当检测第一方向的角速度时，第二质量块12和第四质量块14基本不动，而第二质量块12和第四质量块14上的检测块31沿Z轴方向同步反向运动且基本接近平动；当检测第二方向的角速度时，第一质量块11和第三质量块13基本不动，而第二质量块12和第四质量块14上的检测块31沿Z轴方向同步反向运动且基本接近平动，增加了检测的精确度。因此，上述结构的第一弹性连接件51、第二弹性连接件52及第三弹性连接件53可有效抑制质量块在第三方向的振动，上述结构的检测连接梁32可以将检测块31和质量块在第三方向上进行分离，实现三轴MEMS陀螺仪检测到驱动的单向解耦，提高驱动的稳定性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，包括：

四个质量块，四个所述质量块呈正交对称分布，沿第一方向分布的两个所述质量块分别为第一质量块和第三质量块，另外两个沿第二方向分布的所述质量块分别为第二质量块和第四质量块；

中心耦合组件，包括中心锚点和中心连接件，所述中心锚点与所述质量块弹性连接，所述中心连接件的一端与所述中心锚点弹性相连，另一端与所述质量块弹性相连；

检测块和检测连接梁，所述检测块的个数为四个，四个所述检测块分别与四个所述质量块一一对应设置，每个所述检测块均通过所述检测连接梁设置在所述质量块内，所述检测块能够相对于所述质量块沿第三方向移动，设置在所述第二质量块和所述第四质量块上的所述检测块和与其正对的衬底形成第一方向检测电极，设置在所述第一质量块和所述第三质量块上的所述检测块和与其正对所述衬底形成第二方向检测电极；

第三方向检测电极组，设置在所述质量块上且能够检测第三方向的角速度，所述第三方向、所述第一方向及所述第二方向两两垂直；

检测所述第一方向的角速度时，所述第二质量块和所述第四质量块上的所述检测块能够沿所述第三方向反向运动，所述第一方向检测电极能够检测第一方向的角速度；检测所述第二方向的角速度时，所述第一质量块和所述第三质量块上的所述检测块能够沿所述第三方向反向运动，所述第二方向检测电极能够检测第二方向的角速度。

2.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，每个所述检测块均与四个所述检测连接梁对应设置，四个所述检测连接梁分别设置在所述检测块的四条边上。

3.根据权利要求2所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，每个所述检测连接梁均包括第一检测连接直梁和两个第二检测连接直梁，所述第一检测连接直梁的两端分别与两个所述第二检测连接直梁相连，两个所述第二检测连接直梁平行设置，其中一个所述第二检测连接直梁与所述质量块相连，另一个所述第二检测连接直梁与所述检测块相连。

4.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第三方向检测电极组的个数为四个，四个所述第三方向检测电极组分别与四个所述质量块一一对应，四个所述第三方向检测电极组以四个所述质量块的中心为圆心分布在同一个圆上。

5.根据权利要求4所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，每个所述第三方向检测电极组均为差分电极且包括第三方向第一检测子电极和第三方向第二检测子电极，所述质量块沿所述第三方向转动时，所述第三方向第一检测子电极和所述第三方向第二检测子电极的电容量呈同步反相变化。

6.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第三方向第一检测子电极和所述第三方向第二检测子电极均为梳齿检测电极，所述梳齿检测电极的梳齿为弧状梳齿，所述弧状梳齿以四个所述质量块的中心为圆心。

7.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述中心耦合组件的个数为四个，四个所述中心耦合组件和四个所述质量块一一对应设置，每个所述中心连接件均包括依次连接的第一中心连接弹性件、中心移动块及第二中心连接弹性件，所述第一中心连接弹性件与所述质量块相连，所述第二中心连接弹性件与所述中心锚点相连，四个所述中心耦合组件的所述中心移动块一体成型为中心连接块。

8.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪还包括能够沿所述第一方向或者所述第二方向伸缩的第一弹性连接件，所述第一弹性连接件的一端与所述质量块相连，另一端与所述中心锚点相连。

9.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪还包括驱动电极和驱动检测电极，所述驱动电极的活动部分和所述驱动检测电极的活动部分均设置在所述质量块上，所述驱动电极能够驱动四个所述质量块同时朝向靠近或者远离所述中心耦合组件的方向做简谐振动，所述驱动检测电极能够检测所述质量块沿所述第一方向或者所述第二方向的简谐振动。

10.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪还包括端部锚点、中间锚点、第二弹性连接件及第三弹性连接件，所述质量块的端部通过所述第二弹性连接件与所述端部锚点相连，所述质量块的中部通过所述第三弹性连接件与所述中间锚点相连。