CN203704940U - 一种单轴mems电容式陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单轴MEMS电容式陀螺仪，包括扭动质量块、平动质量块、各锚点和驱动、检测以及敏感电容组，其中电容组的固定和可动梳齿具有沿z轴方向的高低差；驱动、检测电容组的固定梳齿通过相应锚点固定在基底上，可动梳齿与平动质量块连接；敏感电容组的固定梳齿通过敏感锚点固定在基底上，可动梳齿通过外周弹性梁与扭动质量块连接；平动质量块的一端通过弹性梁与相应锚点相连接，其另一端通过弹性梁连接扭动质量块；位于扭动质量块中心位置处的中心锚点通过中部弹性梁与扭动质量块相连接。本实用新型涉及的陀螺仪具有结构简单，对于单向运动的角速度测量结果误差较小的特点。

Description

一种单轴MEMS电容式陀螺仪

技术领域

本实用新型涉及MEMS陀螺仪，尤其涉及一种单轴MEMS电容式陀螺仪。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System，微机电系统）陀螺仪体积小、成本低、集成性好，已得以越来越广泛的应用，如在移动终端、相机防抖、游戏手柄、玩具飞机、导航等产品中。但是，现在市面上的MEMS陀螺仪结构较为复杂，其测量结果存在较大误差，抗震性能比较差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种单轴MEMS电容式陀螺仪，以解决现有陀螺仪应用在运动方向单一的产品中，存在测量结果误差偏大的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提出了一种单轴MEMS电容式陀螺仪，包括扭动质量块、平动质量块、驱动电容组，检测电容组，敏感电容组，锚点以及弹性梁，定义以扭动质量块的中心为原点的笛卡尔坐标系的x轴的正向指向右侧，y轴的正向指向上侧，其中所述各电容组包括固定梳齿和可动梳齿，并且各电容组的固定梳齿和可动梳齿具有沿z轴方向的高低差；

所述各电容组包括至少一对驱动电容组、至少一对检测电容组和至少一对敏感电容组，每对两个驱动电容组的固定梳齿分别通过与所述驱动电容组相对应的驱动锚点固定在基底上，所述驱动电容组的可动梳齿分别连接至与该驱动电容组相对应的平动质量块的外侧壁，所述驱动锚点被配置为一对驱动电极；

每对两个检测电容组的固定梳齿分别通过与所述检测电容组相对应的检测锚点固定在所述基底上，所述检测电容组的可动梳齿分别连接至与该检测电容组相对应的平动质量块的外侧壁，所述检测锚点被配置为一对检测电极；

每对两个敏感电容组的固定梳齿分别通过与所述敏感电容组相对应的敏感锚点固定在所述基底上，所述敏感电容组的可动梳齿通过外周弹性梁与扭动质量块连接，所述敏感电容组的可动梳齿还通过固定弹性梁与各固定锚点连接，所述敏感锚点被配置为一对敏感电极；以及，

位于扭动质量块中心位置处的中心锚点通过中部弹性梁与扭动质量块相连接，平动质量块的一侧通过第一弹性梁与扭动质量块相连接，平动质量块的另外一侧通过第二弹性梁连接到与之对应的锚点。

本实用新型的该方案的有益效果在于本实用新型涉及的陀螺仪结构简单，对于单向运动的角速度测量结果误差较小，抗震性能好。

优选的是，平动质量块位于扭动质量块的左右两侧关于y轴对称设置。

优选的是，所述电容组包括两对驱动电容组，两对驱动电容组关于x轴对称设置，每对两个驱动电容组关于y轴对称设置，及每对两个驱动电容组与平动质量块的连接位置关于y轴对称。

优选的是，所述驱动锚点在x轴上关于y轴对称设置。

优选的是，所述电容组包括两对检测电容组，每对检测电容组关于y轴对称设置，两对检测电容组关于x轴对称设置，在分别与所述检测电容组中的固定梳齿相连接的检测锚点中，处于对角线位置的检测锚点相连接形成一对检测电极。

优选的是，所述电容组包括两对敏感电容组，每对敏感电容组关于x轴对称设置，两对敏感电容组关于y对称设置，在分别与所述敏感电容组中的固定梳齿相连接的敏感锚点中，处于对角线位置的敏感锚点相连接形成一对敏感电极。

优选的是，所述固定锚点设置于单轴微机电系统陀螺仪的四个边角处。

优选的是，所述固定弹性梁在x轴方向的刚度小于y轴和z轴方向的刚度。

附图说明

图1示出了本实用新型所涉及的单轴MEMS电容式陀螺仪整体结构示意图。

图2示出了本实用新型所涉及的单轴MEMS电容式陀螺仪驱动电容组可动梳齿与固定梳齿的截面图。

图3示出了本实用新型所涉及的单轴MEMS电容式陀螺仪中扭动质量块运动状态图。

图4示出了本实用新型所涉及的单轴MEMS电容式陀螺仪中驱动电路的原理图。

图5示出了现有技术中陀螺仪的局部结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

现以设置两对驱动电容组C1、两对检测电容组C2和两对敏感电容组C3为实施例说明本实用新型的单轴微机电系统电容式陀螺仪的具体结构。定义以扭动质量块m1的中心为原点的笛卡尔坐标系的x轴方向为左、右方向，y轴方向为上、下方向，至少驱动电容组和检测电容组的固定梳齿和可动梳齿具有沿z轴方向的高低差，如图1所示，扭动质量块m1及其两侧的平动质量块m2，m3的四周分布有锚点，锚点与扭动质量块m1及左右平动质量块m2，m3之间的区域为用于设置各类电容组的电容组设置区，电容组设置区包括分别位于扭动质量块左、右侧的左、右电容组设置区和扭动质量块上、下侧的上、下电容组设置区。其中平动质量块m2包括平动质量块m21和m22，平动质量块m3包括平动质量块m31和m32，所述四个平动质量块m21，m22，m31和m32完全一样且m21和m22，m31和m32关于x轴对称设置，m21和m31，m22和m32关于y轴对称设置。每对驱动电容组的两个驱动电容组C1分别设置在左、右电容组设置区内，位于左电容组设置区内的两个驱动电容组C11和C12的固定梳齿通过左驱动锚点1a固定在陀螺仪的基底上，可动梳齿分别与平动质量块m21和m22的左侧壁连接；位于右电容组设置区内的两个驱动电容组C13和C14的固定梳齿通过右驱动锚点1b固定在所述基底上，可动梳齿分别与平动质量块m31和m32的右侧壁连接；左、右驱动锚点1a、1b作为一对驱动电极用于接收外围电路提供的驱动信号。

每对检测电容组的两个检测电容组分设在左、右电容组设置区内，位于左电容组设置区内的第一、第二检测电容组C21、C22的固定梳齿分别通过第一、第二检测锚点2a1、2b1固定在所述基底上，可动梳齿分别与平动质量块m21和m22的左侧壁连接；位于右电容组设置区内的第三、第四检测电容组C23、C24的固定梳齿分别通过第三、第四检测锚点2a2、2b2固定在所述基底上，可动梳齿分别与平动质量块m31和m32的右侧壁连接，其中，第一、第三检测锚点2a1、2a2连接在一起，构成一个检测电极，第二、第四检测锚点2b1、2b2连接在一起构成另一个检测电极，使四个检测电容组C2形成差动连接，如图4所示，两个检测电极用于将检测电容组C2的电容变化信号反馈给一对驱动电极，即反馈给驱动电容组C1，以通过改变外加电压大小，调节驱动电容组C1的振动幅度，在此，电容变化信号可经过电荷放大电路再反馈给一对驱动电极。以上的与平动质量块m2和m3连接的可动梳齿将随平动质量块m2和m3运动，连接于同一锚点上的电容组相当于进行并联连接，并联连接的电容组具有相同的电容变化趋势，比如，在结构运动中，并联连接的电容组的电容值会同时增加或减少。

位于平动质量块m2和m3外侧的锚点6通过弹性梁b4与平动质量块m2和m3相连接。平动质量块m2和m3通过弹性梁b5与扭动质量块m1相连接。

位于扭动质量块m1中心位置处的中心锚点3通过中部弹性梁b1与扭动质量块m1相连接。

每对敏感电容组的两个敏感电容组分设在上、下电容组设置区内，位于上电容组设置区内的第一、第二敏感电容组C31、C32的固定梳齿分别通过第一、第二敏感锚点4a1、4b1固定在所述基底上，可动梳齿通过外周弹性梁b2与扭动质量块m1连接；位于下电容组设置区内的第三、第四敏感电容组C33、C34的固定梳齿分别通过第三、第四敏感锚点4a2、4b2固定在所述基底上，可动梳齿通过外周弹性梁b2与扭动质量块m1连接；第一、第三敏感锚点4a1、4a2连接在一起构成一个敏感电极，第二、第四敏感锚点4b1、4b2连接在一起构成另一个敏感电极，通过一对敏感电极提供用于测定外加角速度值的敏感信号。在此，所有敏感电容组C3的可动梳齿可通过固定弹性梁b3与各固定锚点5连接，以起到支撑和平衡作用。

为了保证陀螺仪整体的均衡性，左、右驱动锚点1a、1b在x轴上关于原点对称设置，第一检测锚点2a1和第四检测锚点2b2位于x轴的上方、且关于y轴对称，第二检测锚点2b1与第一检测锚点2a1关于x轴对称设置，第三检测锚点2a2与第四检测锚点2b2关于x轴对称设置，第一、第二敏感锚点4a1、4b1位于扭动质量块m1的上方，且关于y轴对称设置，第一敏感锚点4a1与第四敏感锚点4b2关于x轴对称设置，第二敏感锚点4b1与第三敏感锚点4a2关于x轴对称设置；另外，本实施例设置四个固定锚点5，四个固定锚点5分设在陀螺仪的四个边角处。本实施例还设置了四个锚点6和两个中心锚点3，该四个锚点6位于平动质量块m2和m3的外侧，中心锚点3位于扭动质量块m1的中心位置处。对于上述配置，位于左、右电容组设置区内的驱动电容组C11和C14，以及驱动电容组C12和C13关于y轴对称设置，驱动电容组C11和C12关于x轴对称设置，并且驱动电容组C13和C14关于x轴对称设置。第一检测电容组C21与第四检测电容组C24作为一对检测电容组在驱动电容组C1的上方关于y轴对称设置，第二检测电容组C22和第三检测电容组C23作为另一对检测电容组与上一对检测电容组关于x轴对称设置。第一敏感电容组C31与第四敏感电容组C34作为一对敏感电容组关于x轴对称设置，第二敏感电容组C32和第三敏感电容组C33作为另一对敏感电容组与上一对敏感电容组关于y轴对称设置。

在此，本领域技术人员应当清楚，驱动电容组C1，检测电容组C2及敏感电容组C3的数目和连接方式并非限制为以上给出的实施例。设置驱动电容组，检测电容组及敏感电容组的目的分别在于提供驱动，检测及敏感信号，电容组的数目和连接的不同仅提供了驱动，检测及敏感信号大小及对称性的差异，而不改变相应的驱动，检测和敏感的功能。

如图2所示，驱动电容组C1相邻梳齿（可动和固定梳齿间隔设置）在z轴方向上的高度存在高低差，当固定梳齿和可动梳齿的电位不相等时，驱动电容组C1的固定梳齿与可动梳齿将产生沿z轴方向的相互作用力。如图1所示，一对驱动电极1a、1b上将施加幅值，频率相等，相位相反的驱动电压，使得左、右侧的两对驱动电容组产生反相的驱动力，带动m2和m3产生相反方向的简谐运动，通过调节弹性梁b4和b5的相对刚度，并且驱动电容分组C1和检测电容组C2的可动梳齿与平动质量块连接的部分设计为刚度远大于弹性梁b4和b5，因此可以使平动质量块m2及其与之相连的一对驱动电容组和m3及其与之相连的另一对驱动电容组分别沿Z轴相反方向上下平动，此时驱动电容组电容变化线性度最好，震动更加稳定。

平动质量块m2和m3通过弹性梁b5带动扭动质量块m1绕y轴做简谐振动。检测电容组C2由于平动质量块m2和m3的振动，其电容值也发生变化，根据检测电容组C2数值的变化调节外加驱动电压的变化，调整平动质量块m2和m3的振动幅度，最终调节扭动质量块m1的振动幅度。

如图3所示，扭动质量块m1绕y轴摆动，当外加角速度作用于x方向，其产生的哥氏力将使扭动质量块m1绕z轴发生转动，并通过外周弹性梁b2带动敏感电容组C3的可动梳齿运动，使敏感电容组C3的电容值发生变化，从而测定外加角速度的大小。

根据以上说明的陀螺仪的工作原理可知，其至少存在两个模态：驱动模态和敏感模态，驱动模态为平动质量块m2和m3沿z轴方向相反的上下平动，通过弹性梁b5带动扭动质量块m1绕y轴扭动，此时，外周弹性梁b2与扭动质量块m1连接的一端会随扭动质量块m1扭动，而另一端间接通过弹性梁b3与固定锚点5相连，固定弹性梁b3设计为在z轴方向刚度较大，不易在z轴方向运动，从而限制了外周弹性梁b2另一端z方向的运动，因此，在驱动模态下，驱动和敏感部分通过外周弹性梁b2实现解耦；当扭动质量块m1受到x轴方向的角速度影响时，会产生x，y轴平面内，绕z轴方向旋转的哥氏力，在敏感模态下，z轴方向转动的哥氏力通过外周弹性梁b2传导到敏感电容组C3上，而固定弹性梁b3设计为在x轴方向刚度较小，y轴方向刚度较大，故敏感电容组C3的可动梳齿受到哥氏力时影响容易产生x轴方向运动，据此设计的敏感电容组C3的电容值会发生变化。

本实用新型所涉及的单轴MEMS电容式陀螺仪相对传统陀螺仪具有体积小，成本低，功耗小的显著优点。

添加了平动质量块m2和m3的陀螺仪在非线性，抗震性等参数上得到了进一步改进，原因如下：

现有技术中仅具有扭动质量块m1的方案如下图5所示，驱动电容组和检测电容组的可动梳齿全部连接在扭动质量块m1上，在驱动模态下随扭动质量块m1一起绕y轴转动，可动梳齿远离转轴的部分转动快，靠近转轴的部分转动慢，导致驱动模态下驱动电容组和检测电容组电容变化速率的非线性很大，可能导致整个器件输出的非线性也增大。同时驱动力变化的非线性大，也会导致驱动模态下震动不够稳定，抵抗外界震动的能力差。本实用新型所涉及的陀螺仪加入了平动质量块后，通过设计调节支撑该平动质量块的弹性梁的刚度，使驱动模态下平动质量块连同驱动电容组和检测电容组的可动梳齿分别沿Z轴相反方向上下平动，解决了上述现有技术中的问题。

综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本实用新型的技术范畴。例如，将上述笛卡尔坐标系的x轴和y轴方向颠倒，即可检测作用于y方向的外加角速度。

Claims (8)

1.一种单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：包括扭动质量块、平动质量块、驱动电容组，检测电容组，敏感电容组，锚点以及弹性梁，定义以扭动质量块的中心为原点的笛卡尔坐标系的x轴的正向指向右侧，y轴的正向指向上侧，其中所述各电容组包括固定梳齿和可动梳齿，并且各电容组的固定梳齿和可动梳齿具有沿z轴方向的高低差；

所述各电容组包括至少一对驱动电容组、至少一对检测电容组和至少一对敏感电容组，每对两个驱动电容组的固定梳齿分别通过与所述驱动电容组相对应的驱动锚点固定在基底上，所述驱动电容组的可动梳齿分别连接至与该驱动电容组相对应的平动质量块的外侧壁，所述驱动锚点被配置为一对驱动电极；

每对两个检测电容组的固定梳齿分别通过与所述检测电容组相对应的检测锚点固定在所述基底上，所述检测电容组的可动梳齿分别连接至与该检测电容组相对应的平动质量块的外侧壁，所述检测锚点被配置为一对检测电极；

每对两个敏感电容组的固定梳齿分别通过与所述敏感电容组相对应的敏感锚点固定在所述基底上，所述敏感电容组的可动梳齿通过外周弹性梁与扭动质量块连接，所述敏感电容组的可动梳齿还通过固定弹性梁与各固定锚点连接，所述敏感锚点被配置为一对敏感电极；以及，

位于扭动质量块中心位置处的中心锚点通过中部弹性梁与扭动质量块相连接，平动质量块的一侧通过第一弹性梁与扭动质量块相连接，平动质量块的另外一侧通过第二弹性梁连接到与之对应的锚点。

2.根据权利要求1所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：平动质量块位于扭动质量块的左右两侧关于y轴对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述电容组包括两对驱动电容组，两对驱动电容组关于x轴对称设置，每对两个驱动电容组关于y轴对称设置，及每对两个驱动电容组与平动质量块的连接位置关于y轴对称。

4.根据权利要求1或2所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述驱动锚点在x轴上关于y轴对称设置。

5.根据权利要求1或2所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述电容组包括两对检测电容组，每对检测电容组关于y轴对称设置，两对检测电容组关于x轴对称设置，在分别与所述检测电容组中的固定梳齿相连接的检测锚点中，处于对角线位置的检测锚点相连接形成一对检测电极。

6.根据权利要求1或2所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述电容组包括两对敏感电容组，每对敏感电容组关于x轴对称设置，两对敏感电容组关于y对称设置，在分别与所述敏感电容组中的固定梳齿相连接的敏感锚点中，处于对角线位置的敏感锚点相连接形成一对敏感电极。

7.根据权利要求1所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述固定锚点设置于单轴微机电系统陀螺仪的四个边角处。

8.根据权利要求1所述的单轴MEMS电容式陀螺仪，其特征在于：所述固定弹性梁在x轴方向的刚度小于y轴和z轴方向的刚度。