CN117739941B - 一种单轴mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单轴MEMS陀螺仪，包括基底和至少一个陀螺机构，每个陀螺机构包括正交布置的两个驱动组件、正交布置的两个质量块组件以及正交布置的两个检测组件，每个驱动组件包括两个驱动模块；每个质量块组件包括两个质量块；每个检测组件包括两个检测模块，驱动模块通过第一弹簧梁连接锚点单元，且相邻的两个驱动模块之间通过耦合弹簧连接；质量块设于对应驱动模块背向陀螺机构中心的一侧，且对应的驱动模块和质量块之间通过第一解耦弹簧连接；检测模块与质量块交替布置，检测模块通过第二弹簧梁连接锚点单元，且相邻的质量块和检测模块通过第二解耦弹簧连接。本发明的单轴MEMS陀螺仪兼备小体积、高精度与高性能的优点。

Description

一种单轴MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其是涉及一种单轴MEMS陀螺仪。

背景技术

MEMS陀螺仪，即微电子机械陀螺仪，因其体积小、成本低、功耗小、集成度高等优势已广泛应用于无人机、汽车电子、工业生产和航空航天等领域。随着相关应用领域的发展以及检测要求的逐步提高，市场对小体积、高精度和高稳定性陀螺仪的需求日益迫切。

目前，典型的MEMS陀螺仪主要为电容谐振式陀螺仪，其基本原理是通过测量科氏力引起不同谐振之间的能量变换以获得角速度大小。现有MEMS微陀螺仪可分为线振式和环振式，其中线振式陀螺仪结构具有大科氏敏感质量占比、驱检模态运动易解耦的高灵敏特点，但其需要较大的检测电容，由于大电容会产生较大的静电干扰并削弱陀螺仪的品质因子，无法实现小体积下的高精度检测的需求；环振式陀螺体积小，对加速度/振动、温度等外界环境干扰具有固有免疫特性，但圆环结构由于加工误差的影响，实际中呈现椭圆形状，极易引起驱动检测模态频率偏移和正交耦合误差，导致陀螺仪输出精度低，带宽适应性差。如何提供一种兼备小体积、高精度与高性能的优点的单轴MEMS陀螺仪是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为此，本发明提供一种兼备小体积、高精度与高性能的优点的单轴MEMS陀螺仪。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单轴MEMS陀螺仪，包括基底和至少一个陀螺机构，每个所述陀螺机构包括：

驱动单元，包括正交布置的两个驱动组件，每个所述驱动组件包括相对布置并且分别位于所述陀螺机构中心两侧的两个驱动模块，所述驱动模块包括驱动部和驱动电极，所述驱动电极固设于所述基底上并驱动所述驱动部沿驱动方向往复位移；

质量块单元，包括正交布置的两个质量块组件，每个所述质量块组件包括相对布置并且分别位于所述陀螺机构中心两侧的两个质量块；

检测单元，包括正交布置的两个检测组件，每个所述检测组件包括相对布置并且分别位于所述陀螺机构中心两侧的两个检测模块，所述检测模块包括检测部和检测电极，所述检测电极固设于所述基底上并检测所述检测部沿检测方向的往复位移；

锚点单元，所述锚点单元固设于所述基底上；

其中，所述驱动部通过第一弹簧梁连接所述锚点单元，且沿着围绕所述陀螺机构中心的方向相邻的两个所述驱动部之间通过耦合弹簧连接；

所述质量块与所述驱动部一一对应，所述质量块设于对应所述驱动部背向所述陀螺机构中心的一侧，且对应的所述驱动部和所述质量块之间通过第一解耦弹簧连接；

所述检测部与所述质量块沿着围绕所述陀螺机构中心的方向交替布置，所述检测部通过第二弹簧梁连接所述锚点单元，且沿着围绕所述陀螺机构中心的方向相邻的所述质量块和所述检测部通过第二解耦弹簧连接。

进一步地，同一所述陀螺机构的两个驱动组件中，其中一个所述驱动组件的驱动模块为主驱动模块，另一个所述驱动组件的驱动模块为从驱动模块，所述主驱动模块还包括驱动检测电极，所述从驱动模块还包括调频电极。

进一步地，所述检测模块还包括检测反馈电极和正交刚度调节电极。

进一步地，所述检测电极和所述检测反馈电极均采用变面积式梳齿结构。

进一步地，所述驱动部、所述质量块或所述检测部设有质量平衡通孔。

进一步地，所述锚点单元包括锚点模块，所述锚点模块与所述检测模块一一对应，

每个所述锚点模块包括第一锚点和第二锚点，所述第一锚点设于对应的所述检测模块和所述陀螺机构中心之间，所述第二锚点设于对应的所述检测模块背向所述陀螺机构中心的一侧；

所述驱动部通过所述第一弹簧梁连接沿围绕所述陀螺机构中心的方向相邻的两个所述第一锚点，所述检测部通过所述第二弹簧梁连接对应的所述第一锚点和所述第二锚点。

进一步地，所述第一锚点和所述陀螺机构中心之间还设有靠近所述第一锚点的第三锚点和靠近所述陀螺机构中心的第四锚点，同一所述锚点模块的第一锚点和第三锚点通过第一刚性梁连接，不同所述锚点模块的第四锚点通过第二刚性梁连接。

进一步地，所述单轴MEMS陀螺仪包括一个所述陀螺机构，其中两个所述驱动模块和其中两个所述质量块布置于第一方向上，另两个所述驱动模块和另两个所述质量块布置于第二方向上，其中两个所述检测模块布置于第三方向上，另两个所述检测模块布置于第四方向上，所述第一方向与所述第二方向呈90度夹角，所述第三方向与所述第四方向呈90度夹角，所述第一方向与所述第三方向呈45度夹角。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，将驱动单元、质量块单元以及检测单元均设置为正交布局，并通过耦合弹簧、第一解耦弹簧以及第二解耦弹簧进行并联连接，单轴MEMS陀螺仪采用正交并联结构，一方面，采用正交布局，可提高陀螺仪的温度可靠性、降低封装应力引入的误差，与传统结构相比，在相同体积下正交布局可增大陀螺仪的驱动单元和检测单元能量转换率，从而保证陀螺仪在小体积下高性能输出；另一方面，并联结构使得各个运动模态相互耦合，能够抵消耦合误差，而且，第一弹性梁、第一解耦弹簧、第二弹性梁以及第二解耦弹簧的设置，使驱动模块和检测模块的运动相互独立，进而有效地避免耦合误差；

2）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，通过增设驱动检测电极和调频电极，完成驱动模块的频率调节，进一步调节陀螺仪的输出灵敏度和工作带宽，提高环境适应性；

3）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，检测模块设置正交误差校正电极，其产生相应的静电负刚度以抵消加工误差引入的正交刚度，达到正交校正的目的，提高陀螺仪的输出精度；

4）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，检测电极和检测反馈电极均采用变面积式梳齿结构，可以有效降低滑膜阻尼，提高检测模态的品质因数和线性度；

5）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，驱动部、质量块或检测部设有质量平衡通孔，可以平衡质量以及在结构端调整陀螺仪的频率；

6）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，通过设置第一锚点和第二锚点，使得驱动部和检测部的连接更加合理；

7）本发明提供的单轴MEMS陀螺仪，将锚点分离设置，有利于降低封装产生的热应力，分离的锚点通过刚性梁连接，可减少布线数量并降低寄生电容。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一提供的单轴MEMS陀螺仪的示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种耦合弹簧的示意图；

图3为本发明实施例一提供的驱动模块的示意图；

图4为本发明实施例一提供的检测模块的示意图；

图5为本发明实施例一提供的单轴MEMS陀螺仪在驱动模态下的示意图；

图6为本发明实施例一提供的单轴MEMS陀螺仪对z轴进行检测时的示意图；

图7为本发明实施例二提供的另一种耦合弹簧的示意图；

图8为本发明实施例三提供的检测模块的示意图。

说明书附图标记说明:11、第一锚点；12、第二锚点；13、第三锚点；14、第四锚点；20、驱动部；21、驱动电极；22、驱动检测电极；23、调频电极；30、质量块；40、检测部；41、检测电极；42、检测反馈电极；43、正交刚度调节电极；44、质量平衡通孔；51、第一弹簧梁；52、第二弹簧梁；60、耦合弹簧；71、第一解耦弹簧；72、第二解耦弹簧； 91、第一刚性梁；92、第二刚性梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

参见图1至图4所示，本发明中单轴MEMS陀螺仪的一个实施例。

单轴MEMS陀螺仪包括基底，上述基底上设有一个陀螺机构，每个上述陀螺机构包括：

驱动单元，包括正交布置的两个驱动组件，每个上述驱动组件包括相对布置并且分别位于上述陀螺机构中心两侧的两个驱动模块，每个所述驱动模块包括驱动部20和驱动电极21，上述驱动电极21固设于上述基底上并驱动上述驱动部20沿驱动方向往复位移；

质量块单元，包括正交布置的两个质量块组件，每个上述质量块组件包括相对布置并且分别位于上述陀螺机构中心两侧的两个质量块30；

检测单元，包括正交布置的两个检测组件，每个上述检测组件包括相对布置并且分别位于上述陀螺机构中心两侧的两个检测模块，每个上述检测模块包括检测部40和检测电极41，上述检测电极41固设于上述基底上并检测上述检测部40沿检测方向的往复位移；

锚点单元，上述锚点单元固设于上述基底上；

其中，上述驱动部20通过第一弹簧梁51连接上述锚点单元，且沿着围绕上述陀螺机构中心的方向相邻的两个上述驱动部20之间通过耦合弹簧60连接；

上述质量块30与上述驱动部20一一对应，上述质量块30设于对应上述驱动部20背向上述陀螺机构中心的一侧，且对应的上述驱动部20和上述质量块30之间通过第一解耦弹簧71连接；

上述检测部40与上述质量块30沿着围绕上述陀螺机构中心的方向交替布置，上述检测部40通过第二弹簧梁52连接上述锚点单元，且沿着围绕上述陀螺机构中心的方向相邻的上述质量块30和上述检测部40通过第二解耦弹簧72连接。

上文中，同一陀螺机构的两个驱动组件正交布置是指：其中一个驱动组件的两个驱动模块的连线和另一个驱动组件的两个驱动模块的连线垂直相交于陀螺机构中心。同一陀螺机构的两个质量块组件正交布置是指：其中一个质量块组件的两个质量块30的连线和另一个质量块组件的两个质量块30的连线垂直相交于陀螺机构中心。同一陀螺机构的两个检测组件正交布置是指：其中一个检测组件的两个检测模块的连线和另一个检测组件的两个检测模块的连线垂直相交于陀螺机构中心。不同陀螺机构的陀螺机构中心位于同一位置或不同位置。与此同时，同一陀螺机构的两个驱动组件、质量块组件和检测组件的正交布置也包含与其相应的阻尼、质量和刚度等物理量的正交。

陀螺机构没有角速度输入时为驱动模态，此时上述质量块30的运动方向为驱动方向，陀螺机构有角速度输入时为检测模态，此时上述检测模块的运动方向为检测方向。

上述驱动电极21接收外围电路提供的驱动信号。上述检测电极41用于测定外加角速度值的敏感信号。

上述第一弹簧梁51的结构和布局要确保驱动部20在驱动方向的自由度，并抑制其他方向的运动。

第二弹簧梁52的结构和布局要确保检测模块在检测方向上的自由度，并抑制其他方向的运动。

上述驱动部20通过耦合弹簧60连接以实现同一陀螺机构的两个驱动组件正交同幅同频运动。上述第一解耦弹簧71确保驱动部20与质量块30不同运动方向上的模态互不干扰，减小耦合误差。上述第二解耦弹簧72用以解除质量块30在驱动方向与检测方向运动的耦合，有效降低模态之间的干扰。

本实施例中，同一上述陀螺机构的两个驱动组件中，其中一个上述驱动组件的驱动模块为主驱动模块，另一个上述驱动组件的驱动模块为从驱动模块，上述主驱动模块还包括驱动检测电极22，上述从驱动模块还包括调频电极23。

上述主驱动模块包括两个上述驱动检测电极22，上述两个驱动检测电极22相对所属驱动模块的驱动方向对称轴线对称布置，上述从驱动模块包括两个调频电极23，两个调频电极23相对所属驱动模块的驱动方向对称轴线对称布置。

其中一个驱动组件的驱动检测电极22用以检测驱动部20的运动幅值、频率和相位，经反馈，从而通过另一个驱动组件的调频电极23对驱动部20进行频率调谐。

本实施例中，上述检测模块还包括检测反馈电极42和正交刚度调节电极43。

上述检测模块包括两个检测电极41和两个正交刚度调节电极43，两个检测电极41相对所属检测模块的检测方向对称轴线对称布置，上述两个检测反馈电极42相对所属检测模块的检测方向对称轴线对称布置，上述两个检测电极41设于上述两个检测反馈电极42之间，上述两个正交刚度调节电极43相对所属检测模块的检测方向对称轴线对称布置，上述正交刚度调节电极43位于所述检测电极41与陀螺机构中心之间。

上述检测反馈电极42为检测力反馈梳齿提供相应的静电力，迫使检测质量块在检测方向上始终保持静止状态，实现闭环检测，可降低检测的非线性，提高检测精度。

上述正交刚度调节电极施加电压使其正交校正梳齿产生静电负刚度，用以抵消驱动与检测模态的耦合刚度，进而消除正交误差。

本实施例中，上述检测部40设有质量平衡通孔44。

上述质量平衡孔44用于平衡质量以及在结构端调整陀螺仪的频率。上述驱动部和质量块也设置质量平衡通孔。或者不设置上述质量平衡孔，在后期通过激光、等离子体切割等方式进行调整。

本实施例中，上述锚点单元包括锚点模块，上述锚点模块与上述检测模块一一对应，

每个上述锚点模块包括第一锚点11和第二锚点12，上述第一锚点11设于对应的上述检测模块和上述陀螺机构中心之间，上述第二锚点12设于对应的上述检测模块背向上述陀螺机构中心的一侧；

上述驱动部20通过上述第一弹簧梁51连接沿围绕上述陀螺机构中心的方向相邻的两个上述第一锚点11，上述检测部40通过上述第二弹簧梁52连接对应的上述第一锚点11和上述第二锚点12。

上述第一锚点11和第二锚点12实现了驱动部20和检测部40与基底的连接。

本实施例中，上述第一锚点11和上述陀螺机构中心之间还设有靠近上述第一锚点11的第三锚点13和靠近上述陀螺机构中心的第四锚点14，同一上述锚点模块的第一锚点11和第三锚点13通过第一刚性梁91连接，不同上述锚点模块的第四锚点14通过第二刚性梁92连接。

上述第一锚点11和第三锚点13分离设置，四个第四锚点14之间分离设置，有利于降低封装产生的热应力。通过第一刚性梁91将第一锚点11和第三锚点13连接起来，通过第二刚性梁92将分离的第四锚点14连接在一起实现同电位，可极大减少布线数量并降低寄生电容。

本实施例中，上述单轴MEMS陀螺仪包括一个上述陀螺机构，其中两个上述驱动模块和其中两个上述质量块30布置于第一方向上，另两个上述驱动模块和另两个上述质量块30布置于第二方向上，其中两个上述检测模块布置于第三方向上，另两个上述检测模块布置于第四方向上，上述第一方向与上述第二方向呈90度夹角，上述第三方向与上述第四方向呈90度夹角，上述第一方向与上述第三方向呈45度夹角。

如图5所示，本发明的陀螺仪工作时利用科氏力检测输入角速度，在主驱动模块的驱动电极21施加一个周期性驱动电压信号，在静电力的作用下使位于水平方向（X轴方向）的两个驱动部20带动质量块30沿着靠近陀螺机构中心的X轴方向进行周期性往复运动，位于垂直方向（Y轴方向）的两个驱动部20带动质量块30沿着远离陀螺机构中心的Y轴方向进行周期性往复运动，在驱动时四个驱动部20做同幅同频的运动，四个驱动部20运动方向的线振动共同组成本发明中陀螺仪的驱动模态。

如图6所示，当角速度绕z轴方向输入时，科氏力导致质量块30在与其驱动方向垂直的方向上产生周期性振荡，进一步带动检测部沿着45°/135°方向产生周期性往复运动，即为本发明中陀螺仪的检测模态。通过其中一个检测组件的检测电极41和另一个检测组件的检测电极41的差分信号即可获得绕z轴方向的输入角速度大小。

本实施例可以采用开环检测或闭环检测两种检测方式。

实施例二

参见图7所示，其余与实施例一相同，不同之处在于，上述耦合弹簧为弧形梁。

实施例三

参见图8所示，其余与实施例一相同，不同之处在于，本实施例中，上述检测电极41和上述检测反馈电极42采用变面积式梳齿结构。

通过将检测电极和检测反馈电极设置为变面积式梳齿结构，能够降低滑膜阻尼，有效增大检测模态的品质因数和线性度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种单轴MEMS陀螺仪，包括基底和至少一个陀螺机构，其特征在于，每个所述陀螺机构包括：

驱动单元，包括正交布置的两个驱动组件，每个所述驱动组件包括相对布置并且分别位于所述陀螺机构中心两侧的两个驱动模块，所述驱动模块包括驱动部和驱动电极，所述驱动电极固设于所述基底上并驱动所述驱动部沿驱动方向往复位移；

质量块单元，包括正交布置的两个质量块组件，每个所述质量块组件包括相对布置并且分别位于所述陀螺机构中心两侧的两个质量块；

检测单元，包括正交布置的两个检测组件，每个所述检测组件包括相对布置并且分别位于所述陀螺机构中心两侧的两个检测模块，所述检测模块包括检测部和检测电极，所述检测电极固设于所述基底上并检测所述检测部沿检测方向的往复位移；

锚点单元，所述锚点单元固设于所述基底上；

其中，所述驱动部通过第一弹簧梁连接所述锚点单元，且沿着围绕所述陀螺机构中心的方向相邻的两个所述驱动部之间通过耦合弹簧连接；

所述质量块与所述驱动部一一对应，所述质量块设于对应所述驱动部背向所述陀螺机构中心的一侧，且对应的所述驱动部和所述质量块之间通过第一解耦弹簧连接；

所述检测部与所述质量块沿着围绕所述陀螺机构中心的方向交替布置，所述检测部通过第二弹簧梁连接所述锚点单元，且沿着围绕所述陀螺机构中心的方向相邻的所述质量块和所述检测部通过第二解耦弹簧连接；

所述耦合弹簧使同一陀螺机构的两个驱动组件正交同幅同频运动；

所述第一解耦弹簧用于使所述驱动部与所述质量块不同运动方向上的模态互不干扰；

所述第二解耦弹簧用以解除所述质量块在驱动方向与检测方向运动的耦合；

所述驱动模块和所述检测模块的运动相互独立。

2.根据权利要求1所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，同一所述陀螺机构的两个驱动组件中，其中一个所述驱动组件的驱动模块为主驱动模块，另一个所述驱动组件的驱动模块为从驱动模块，所述主驱动模块还包括驱动检测电极，所述从驱动模块还包括调频电极。

3.根据权利要求1所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述检测模块还包括检测反馈电极和正交刚度调节电极。

4.根据权利要求3所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述检测电极和所述检测反馈电极均采用变面积式梳齿结构。

5.根据权利要求3所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述驱动部、所述质量块或所述检测部设有质量平衡通孔。

6.根据权利要求1所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述锚点单元包括锚点模块，所述锚点模块与所述检测模块一一对应，

每个所述锚点模块包括第一锚点和第二锚点，所述第一锚点设于对应的所述检测模块和所述陀螺机构中心之间，所述第二锚点设于对应的所述检测模块背向所述陀螺机构中心的一侧；

所述驱动部通过所述第一弹簧梁连接沿围绕所述陀螺机构中心的方向相邻的两个所述第一锚点，所述检测部通过所述第二弹簧梁连接对应的所述第一锚点和所述第二锚点。

7.根据权利要求6所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一锚点和所述陀螺机构中心之间还设有靠近所述第一锚点的第三锚点和靠近所述陀螺机构中心的第四锚点，同一所述锚点模块的第一锚点和第三锚点通过第一刚性梁连接，不同所述锚点模块的第四锚点通过第二刚性梁连接。

8.根据权利要求1所述的单轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述单轴MEMS陀螺仪包括一个所述陀螺机构，其中两个所述驱动模块和其中两个所述质量块布置于第一方向上，另两个所述驱动模块和另两个所述质量块布置于第二方向上，其中两个所述检测模块布置于第三方向上，另两个所述检测模块布置于第四方向上，所述第一方向与所述第二方向呈90度夹角，所述第三方向与所述第四方向呈90度夹角，所述第一方向与所述第三方向呈45度夹角。