CN202109911U - 单结构三轴微机电陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单结构三轴微机电陀螺仪，该陀螺仪由用来测量x轴和z轴角速度的xz轴结构和用来测量y轴角速度的y轴结构组成。xz轴结构沿x轴对称布置，y轴结构沿y轴对称分布，相邻的xz轴结构和y轴结构之间在外侧使用脐带连接，使得三轴结构获得单一的扩张—收缩式驱动，xz轴和y轴各自的两个质量块用十字连接器相连，在感应x轴、y轴和z轴角速度时可实现相位相反的同步运动，由此各轴均实现了差动输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微机电陀螺仪，尤其涉及一种具有解耦特性的单结构三轴微机电陀螺仪，属于微机电系统(MEMS)领域。
背景技术
微机电陀螺仪是基于微机电系统的惯性器件，可用来测量运动物体的角速度。和传统陀螺仪相比，微机电陀螺仪具有体积小，质量轻，价格低廉，更适合大批量生产等特点。传统陀螺仪，包括机械陀螺仪，激光陀螺仪，光纤陀螺仪等等，一直广范应用于飞行器稳定控制，武器导航制导，汽车安全等领域，由于这些陀螺仪体积大，成本高而不适合应用于消费类电子产品。近年来，随着MEMS技术的发展，微机电陀螺仪正逐渐应用于消费类电子产品，如数码相机的图像稳定，游戏机的控制手柄，手机功能控制，以及和微加速度传感器构成的微导航仪等。
微机电陀螺仪主要由驱动部分和感应部分组成，由于其设计和制造的复杂性，目前市场上出现的多为一轴和二轴陀螺仪，三轴陀螺仪的应用一般是多个一轴或二轴陀螺仪的正交装配，或者将多个陀螺仪集成在单个芯片上，这些都达不到消费电子类产品市场追求小型化的目的。开发单结构三轴陀螺仪，已经成为微机电陀螺仪研发的重要方向。
本实用新型微机电陀螺仪采用单结构设计，整体收缩—扩张的驱动模式，电容式静电驱动和电容差动输出，结构紧促，减小了陀螺仪体积，适合大批量生产，可实现良好的测量精度和灵敏度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构紧促、成本低廉、制作工艺简单的单结构三轴微机电陀螺仪。此单结构三轴微陀螺仪具有较高品质因子，其各轴之间的信号耦合可在结构上得到抑制、而且各轴都可以实现驱动和检测互相解耦。
实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：一种单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底、轴结构、十字连接器和脐带，其中轴结构包括xz轴结构和y轴结构。所述的xz轴结构和y轴结构在所述衬底上，所述的xz轴结构用来测量x轴角速度和z轴角速度，所述的xz轴结构由两组沿x轴对称分布的xz轴分结构组成；所述的y轴结构用来测量y轴角速度，所述的y轴结构由两组沿y轴对称分布的y轴分结构组成；所述的两组xz轴分结构和两组y轴分结构内部通过十字连接器相连，所述的两组xz轴分结构和两组y轴分结构外部通过4条脐带依次连接。
进一步的，所述两组xz轴分结构中的每一组xz轴分结构均包括xz轴质量块、xz轴驱动结构、x轴感应结构、z轴感应结构、z轴反馈结构和xz轴弹性结构。所述的xz轴质量块悬浮于衬底上，其上有微孔，并且通过脐带与y轴分结构相连；xz驱动结构包括xz轴驱动活动梳齿电极和xz轴驱动固定梳齿电极，xz轴驱动活动梳齿电极连接在xz轴质量块上，xz轴驱动固定梳齿电极固定于衬底上；所述的x轴感应结构由xz轴质量块和x轴下极板组成，所述的x轴下极板位于水平轴质量块下方并且与水平轴质量块平行设置，所述的x轴下极板也固定在衬底上；所述z轴感应结构由z轴感应活动疏齿电极和z轴感应固定疏齿电极组成，z轴感应活动梳齿电极连接在xz轴质量块上，z轴感应固定梳齿电极固定于衬底上；所述z轴反馈结构包括z轴反馈活动电极和z轴反馈固定电极，z轴反馈活动梳齿电极连接在xz轴质量块上，z轴反馈固定梳齿电极固定于衬底上；所述的xz轴弹性结构包括xz轴外侧弹簧机构、xz轴内侧弹簧机构、所述的xz轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述xz轴质量块的外侧，xz轴外侧弹簧机构的一端连接在xz轴质量块上，另一端通过锚点固定于衬底上，所述的xz轴内侧弹簧机构的一端连接于xz轴质量块的内侧，另一端和所述的十字连接器相连。
进一步的，所述两组y轴分结构中的每一组y轴分结构均包括y轴驱动结构、y轴感应结构和y轴弹性结构，所述的y轴驱动结构括y轴驱动支架以及y轴驱动梳齿电极组，所述的y轴驱动支架悬浮在衬底上，所述的y轴驱动梳齿电极组包括y轴驱动活动梳齿电极和y轴驱动固定梳齿电极，y轴驱动活动梳齿电极连接在所述的y轴驱动支架上，y轴固定梳齿电极固定于衬底上；所述的y轴感应结构由y轴质量块和y轴下级板构成，所述的y轴质量块悬浮于衬底之上，其上有微孔，并且通过脐带与所述的xz轴质量块相连；所述的y轴弹性结构包括y轴外侧弹簧机构、y轴内侧弹簧机构、中心弹性铰链以及两个对称分布的侧翼弹性铰链，所述的y轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述y轴驱动支架的外侧，所述y轴外侧弹簧机构的一端连接于y轴驱动支架，另一端通过锚点固定于衬底上，所述y轴内侧弹簧机构的一端连接于y轴质量块的内侧，另一端和所述的十字连接器相连，所述中心弹性铰链和两个对称分布的侧翼弹性铰链的两端分别与所述的y轴质量块和y轴驱动支架相连。
进一步的，所述的十字连接器包括十字连接梁和十字连接弹簧，所述的十字连接梁悬浮在衬底上，该十字连接梁在y方向上与两组xz轴分结构的xz轴内侧弹簧机构连接，该十字连接梁在x方向上与两组y轴分结构的y轴内侧弹簧机构连接，十字连接弹簧位于十字连接梁的中心，所述十字连接弹簧在x轴方向上与十字连接梁固定连接，在y轴方向上通过四个锚点固定在衬底上。
所述的xz轴质量块和y轴质量块上设置有微孔，用以减少空气阻尼。
与现有技术相比，本实用新型具有如下显著优点：1)可实现三轴的单一驱动；2)实现三轴的单结构集成，结构紧促，制造工艺简单，适合大批量生产，价格低廉；3)各轴采用差模输出，增加了输出信号，提高了陀螺仪的灵敏度，抑制了干扰信号；4)各轴之间感应信号在结构上实现无耦合。
下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
附图说明
图1是本实用新型陀螺仪的立体图；
图2是本实用新型陀螺仪的主视图；
图3是本实用新型陀螺仪中xz轴分结构的主视图；
图4是本实用新型陀螺仪中y轴分结构的主视图；
图5是本实用新型陀螺仪中十字连接器的主视图；
图6是本实用新型陀螺仪中脐带的主视图；
图7是本实用新型陀螺仪的原理示意图。
具体实施方式
如图1至图6所示的单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底10、轴结构、十字连接器40和脐带50，其特征在于：所述的轴结构包括xz轴结构20和y轴结构30。所述的xz轴结构20和y轴结构30在所述衬底10上，所述的xz轴结构20用来测量x轴角速度和z轴角速度，所述的xz轴结构20由两组沿x轴对称分布的xz轴分结构组成；所述的y轴结构用来测量y轴角速度，所述的y轴结构30由两组沿y轴对称分布的y轴分结构组成；所述的两组xz轴分结构和两组y轴分结构内部通过十字连接器40相连，所述的两组xz轴分结构和两组y轴分结构外部通过4条脐带50依次连接。
所述两组xz轴分结构中的每一组xz轴分结构均包括xz轴质量块21、xz轴驱动结构、x轴感应结构、z轴感应结构、z轴反馈结构和xz轴弹性结构。所述的xz轴质量块21悬浮于衬底上，其上有微孔22，并且通过脐带50与y轴分结构相连；xz驱动结构包括xz轴驱动活动梳齿电极23和xz轴驱动固定梳齿电极24，xz轴驱动活动梳齿电极23连接在xz轴质量块21上，xz轴驱动固定梳齿电极24固定于衬底10上；所述的x轴感应结构由xz轴质量块21和x轴下极板组成25，所述的x轴下极板25位于xz轴质量块21下方并且与xz轴质量块21平行设置，所述的x轴下极板25也固定在衬底10上；所述z轴感应结构由z轴感应活动疏齿电极26和z轴感应固定疏齿电极27组成，z轴感应活动梳齿电极26连接在xz轴质量块21上，z轴感应固定梳齿电极27固定于衬底10上；所述z轴反馈结构包括z轴反馈活动电极28和z轴反馈固定电极29，z轴反馈活动梳齿电极28连接在xz轴质量块21上，z轴反馈固定梳齿电极29固定于衬底10上；所述的xz轴弹性结构包括xz轴外侧弹簧机构210、xz轴内侧弹簧机构211、所述的xz轴外侧弹簧机构210共两组，均位于所述xz轴质量块21的外侧，xz轴外侧弹簧机构210的一端连接在xz轴质量块21上，另一端通过锚点固定于衬底10上，所述的xz轴内侧弹簧机构211的一端连接于xz轴质量块21的内侧，另一端和所述的十字连接器40相连。
所述两组y轴分结构30中的每一组y轴分结构均包括y轴驱动结构、y轴感应结构和y轴弹性结构，所述的y轴驱动结构括y轴驱动支架31以及y轴驱动梳齿电极组，所述的y轴驱动支架31悬浮在衬底上，所述的y轴驱动梳齿电极组包括y轴驱动活动梳齿电极32和y轴驱动固定梳齿电极33，y轴驱动活动梳齿电极32连接在所述的y轴驱动支架31上，y轴固定梳齿电极33固定于衬底10上；所述的y轴感应结构由y轴质量块34和y轴下级板35构成，所述的y轴质量块34悬浮于衬底之上，其上有微孔310并且通过脐带50与所述的xz轴质量块21相连；所述的y轴弹性结构包括y轴外侧弹簧机构36、y轴内侧弹簧机构37、中心弹性铰链38以及两个对称分布的侧翼弹性铰链39，所述的y轴外侧弹簧机构36共两组，均位于所述y轴驱动支架31的外侧，所述y轴外侧弹簧机构36的一端连接于y轴驱动支架31，另一端通过锚点固定于衬底1上，所述y轴内侧弹簧机构37的一端连接于y轴质量块34的内侧，另一端和所述的十字连接器40相连，所述中心弹性铰链38和两个对称分布的侧翼弹性铰链39的两端分别与所述的y轴质量块34和y轴驱动支架31相连。
所述的十字连接器40包括十字连接梁41和十字连接弹簧42，所述的十字连接梁41悬浮在衬底10上，该十字连接梁41在y方向上与两组xz轴分结构的xz轴内侧弹簧机构211连接，该十字连接梁41在x方向上与两组y轴分结构的y轴内侧弹簧机构37连接，十字连接弹簧42位于十字连接梁的中心，所述十字连接弹簧在x轴方向上与十字连接梁41固定连接，在y轴方向上通过四个锚点固定在衬底10上。
所述脐带50共四个，用于依次连接xz轴质量块21和y轴质量块34。
本实用新型的单结构三轴微机电陀螺仪，采用从中心向外部扩张收缩的单驱动模式，这样各轴的驱动方式是线振动，图7是该陀螺仪的原理示意图。系统在xz轴驱动结构和y轴驱动结构的共同作用下以一定的频率进行驱动，各轴质量块整体上成扩张收缩的运动，xz轴和y轴的内外侧弹簧机构会做相应的变形，脐带的变形保证了各轴质量块运动的一致性，这样各轴质量块的即时速度为V。当系统受到x轴角速度时，两对xz轴的质量块受到的哥式力为：Fx＝-2mxΩx×V，大小相等，方向相反，xz轴外侧弹簧机构和xz轴内侧弹簧机构会做相应的变形，这样两个对称的质量块会做相位相反的跷跷板运动，十字连接器保证了两质量块的运动步调一致。这样一侧的感应电容增加，另一侧的感应电容减小，可以实现差动输出。当系统受到z轴角速度时可以，两对xz轴质量块受到的哥氏力为：Fz＝-2mzΩz×V，大小相等方向相反，这样各个z轴分结构中的外侧弹性机构和内侧弹性机构会做相应变形，这样两个对称质量块会做相位相反的运动，从而保证z轴的差动输出，而z轴反馈结构可以阻止这种运动，以保证检测z轴角速度时，不对x轴的感应信号产生影响。当系统受到y轴角速度时，两对y轴的质量块受到的哥式力为：Fy＝-2mxΩx×V大小相等，方向相反，y轴外侧弹簧机构、y轴内侧弹簧机构、中心弹性铰链和侧翼弹性铰链会做相应的变形，这样两个对称的质量块会做相位相反的跷跷板运动，十字连接器保证了两质量块的运动步调一致。这样一侧的感应电容增加，另一侧的感应电容减小，可以实现差动输出。
以上只是本实用新型的一个最佳实施例，本领域的技术人员有可能在不脱离本发明的保护范围内对该设计作出更改或者变动，但这些应当理解为仍属于本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底、轴结构、十字连接器和脐带，其特征在于：所述的轴结构包括xz轴结构和y轴结构，所述的xz轴结构和y轴结构在所述衬底上，所述的xz轴结构用来测量x轴角速度和z轴角速度，所述的xz轴结构由两组沿x轴对称分布的xz轴分结构组成；所述的y轴结构用来测量y轴角速度，所述的y轴结构由两组沿y轴对称分布的y轴分结构组成；所述的两组xz轴分结构和两组y轴分结构内部通过十字连接器相连，所述的两组xz轴分结构和两组y轴分结构外部通过4条脐带依次连接。
2.如权利要求1所述的单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述两组xz轴分结构中的每一组xz轴分结构均包括xz轴质量块、xz轴驱动结构、x轴感应结构、z轴感应结构、z轴反馈结构和xz轴弹性结构，所述的xz轴质量块悬浮于衬底上，并且通过脐带与y轴分结构相连；xz轴驱动结构包括xz轴驱动活动梳齿电极和xz轴驱动固定梳齿电极，xz轴驱动活动梳齿电极连接在xz轴质量块上，xz轴驱动固定梳齿电极固定于衬底上；所述的x轴感应结构由xz轴质量块和x轴下极板组成，所述的x轴下极板位于水平轴质量块下方并且与水平轴质量块平行设置，所述的x轴下极板也固定在衬底上；所述z轴感应结构由z轴感应活动疏齿电极和z轴感应固定疏齿电极组成，z轴感应活动梳齿电极连接在xz轴质量块上，z轴感应固定梳齿电极固定于衬底上；所述z轴反馈结构包括z轴反馈活动电极和z轴反馈固定电极，z轴反馈活动梳齿电极连接在xz轴质量块上，z轴反馈固定梳齿电极固定于衬底上；所述的xz轴弹性结构包括xz轴外侧弹簧机构、xz轴内侧弹簧机构、所述的xz轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述xz轴质量块的外侧，xz轴外侧弹簧机构的一端连接在xz轴质量块上，另一端通过锚点固定于衬底上，所述的xz轴内侧弹簧机构的一端连接于xz轴质量块的内侧，另一端和所述的十字连接器相连。
3.如权利要求1所述的单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述两组y轴分结构中的每一组y轴分结构均包括y轴驱动结构、y轴感应结构和y轴弹性结构，所述的y轴驱动结构括y轴驱动支架以及y轴驱动梳齿电极组，所述的y轴驱动支架悬浮在衬底上，所述的y轴驱动梳齿电极组包括y轴驱动活动梳齿电极和y轴驱动固定梳齿电极，y轴驱动活动梳齿电极连接在所述的y轴驱动支架上，y轴固定梳齿电极固定于衬底上；所述的y轴感应结构由y轴质量块和y轴下级板构成，所述的y轴质量块悬浮于衬底之上，并且通过脐带与所述的xz轴质量块相连；所述的y轴弹性结构包括y轴外侧弹簧机构、y轴内侧弹簧机构、中心弹性铰链以及两个对称分布的侧翼弹性铰链，所述的y轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述y轴驱动支架的外侧，所述y轴外侧弹簧机构的一端连接于y轴驱动支架，另一端通过锚点固定于衬底上，所述y轴内侧弹簧机构的一端连接于y轴质量块的内侧，另一端和所述的十字连接器相连，所述中心弹性铰链和两个对称分布的侧翼弹性铰链的两端分别与所述的y轴质量块和y轴驱动支架相连。
4.如权利要求1所述的单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述的十字连接器包括十字连接梁和十字连接弹簧，所述的十字连接梁悬浮在衬底上，该十字连接梁在y方向上与两组xz轴分结构的xz轴内侧弹簧机构连接，该十字连接梁在x方向上与两组y轴分结构的y轴内侧弹簧机构连接，十字连接弹簧位于十字连接梁的中心，所述十字连接弹簧在x轴方向上与十字连接梁固定连接，在y轴方向上通过四个锚点固定在衬底上。
5.如权利要求1所述的单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述的xz轴质量块和y轴质量块上设置有微孔。
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