CN216159892U - 微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微机械陀螺仪，包括基底、锚点、6个振动结构、面内换能器、以及面外换能器，基底上具有中心点，6个振动结构绕中心点均匀分布，每一振动结构包含N个质量块，微机械陀螺仪还包括设置于相邻两个质量块之间的第一耦合梁，以使多个质量块运动关联。微机械陀螺仪工作在两个振动模态中，两个体振动模态包括工作在第一模态下的驱动模态，以及工作在第二模态下的检测模态，两个振动模态可相互互换。每一振动结构中各质量块的振动模态均相同，在第一模态下，相邻两个所述振动结构的运动方向沿径向相反；在第二模态下，振动结构沿垂直于基底的方向运动。本实用新型的微机械陀螺仪可以提高芯片面积的使用率，从而提高检测灵敏度。

Description

微机械陀螺仪

【技术领域】

本实用新型涉及微机械陀螺仪领域，具体涉及一种微机械陀螺仪。

【背景技术】

微机械陀螺仪，即MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)陀螺仪，是一种典型的角速度微传感器，由于其尺寸小、功耗低和加工方便等优势在消费电子市场有着非常广泛的应用。近年来随着性能的逐步提升，MEMS 陀螺仪被广泛应用于工业、汽车和虚拟现实等领域。

MEMS陀螺仪可以分为线振动音叉型陀螺仪和体振动圆盘型陀螺仪两类。其中，圆盘型陀螺仪的驱动模态和检测模态振型简并、灵敏度高且结构简单，逐步成为使用较为广泛的陀螺仪。但是圆盘型陀螺仪中芯片面积的使用率不高，灵敏度较低。

因此，有必要提供一种改进的微机械陀螺仪来解决上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的在于提供一种微机械陀螺仪，可以提高芯片面积的使用率，从而提高微机械陀螺仪的检测灵敏度。

本实用新型的技术方案如下：一种微机械陀螺仪包括基底、与所述基底固定的锚点、悬置于所述基底上并与所述锚点机械耦合的6个振动结构、用于耦合所述振动结构所在平面内的机械场与电场的面内换能器、以及用于耦合所述振动结构所在平面外的机械场与电场的面外换能器，所述基底上具有中心点，所述6个振动结构绕所述中心点均匀分布，每一所述振动结构包含N个质量块，N为大于或等于1的整数，所述微机械陀螺仪还包括设置于相邻两个所述质量块之间的第一耦合梁，以使多个所述质量块运动关联；

所述微机械陀螺仪工作在两个振动模态中，两个所述振动模态包括工作在第一模态下的驱动模态，以及工作在第二模态下的检测模态，两个振动模态可相互互换；

每一所述振动结构中各所述质量块的振动模态均相同，在所述第一模态下，任一所述振动结构均沿径向方向运动，且相邻两个所述振动结构的运动方向相反；在所述第二模态下，所述振动结构沿垂直于基底所在平面的方向运动。

可选的，所述微机械陀螺仪还包括用于连接锚点与所述质量块的连接梁，所述锚点的数量为多个，每一所述质量块套设于至少一个所述锚点并与所述锚点结构通过所述连接梁固定。

可选的，每一所述质量块包括第一质量子块、与所述第一质量子块嵌套设置的第二质量子块、以及用于连接所述第一质量子块与所述第二质量子块的第二耦合梁，所述锚点设置于所述第一质量子块与第二质量子块之间。

可选的，每一所述质量块均具有第二中心线，所述第二中心线穿过所述中心点，所述第一质量子块关于所述第二中心线对称，所述第二质量子块关于所述第二中心线对称，多个所述锚点关于所述第二中心线对称分布。

可选的，所述第一质量子块设置于所述第二质量子块内，多个所述锚点均通过所述连接梁与所述第一质量子块连接。

可选的，所述面内换能器的数量为3N，所述面外换能器的数量为2N， N为大于或等于1的整数。

可选的，所述面内换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合；所述面外换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合。

可选的，所述面内换能器设置于所述质量块内侧或外侧，所述面外换能器设置于所述振动结构与所述基底之间。

可选的，3N个所述面内换能器绕所述中心点均匀分布，2N个所述面外换能器绕所述中心点均匀分布。

可选的，每一所述振动结构包括第一中心线，所述第一中心线经过所述中心点且所述振动结构关于所述第一中心线对称，第一模态下，各所述振动结构均沿所述第一中心线方向运动，任意相邻的两个所述振动结构中，一所述振动结构沿第一中心线向所述中心点运动，另一所述振动结构沿所述第一中心线朝远离所述中心点的方向运动。

可选的，所述基底上设有绝缘层，所述锚点、所述面内换能器以及所述面外换能器均通过所述绝缘层与所述基底连接。

本实用新型的有益效果在于：基底上具有中心点，6个振动结构绕中心点均匀分布，每一振动结构包含N个质量块，振动结构通过锚点与基底连接。相关技术中，通常将锚点设置在基底的中心点处，锚点占据了较大面积，使得芯片的利用率较低。本申请实施例增加了质量块的面积、减小了锚点的面积，用于对待测量敏感的质量块的面积增大，这提高了芯片面积的使用率，提升了微机械陀螺仪的检测灵敏度。

【附图说明】

图1为本实用新型实施例提供的第一种微机械陀螺仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的第二种微机械陀螺仪的结构示意图；

图3为图2中微机械陀螺仪的部分结构示意图；

图4为图3所示B的局部放大图；

图5为图3所示A的局部放大图；

图6为图2所示C的局部放大图；

图7为图2所示微机械陀螺仪以第一模态进入驱动模态的运动示意图；

图8为本实用新型实施例提供的第三种微机械陀螺仪的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。

MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。微机械陀螺仪即MEMS陀螺仪，MEMS陀螺仪被普遍运用到各种便携式电子设备比如手机、IPAD、AR\VR穿戴设备等。常用于检测与旋转相关的物理量，如角速度。微机械陀螺仪可实现用户与设备的体感交互，具有广泛的应用前景。

请参阅图1，图1为本实用新型实施例提供的第一种微机械陀螺仪的结构示意图。微机械陀螺仪100包括基底1、6个振动结构3、以及锚点5。基底1用于为各部件提供支撑，基底1上具有中心点O。6个振动结构3 绕中心点O均匀分布。每一所述振动结构3包含N个质量块，N为大于或等于1的整数。质量块通过锚点5与基底1连接，6N个质量块用于在哥氏力的作用下产生相应的位移，实现对旋转相关待测量的敏感。质量块自中心点O向远离中心点O的方向延伸，锚点5在基底1上的正投影位于质量块在基底1的正投影内，即锚点5设置在质量块上，而不是设置在中心点 O处。

相关技术中，圆盘型陀螺仪常将锚点设置在质量块的圆心或中心处，锚点与质量块直接连接。靠近锚点处的质量块，被激发为检测模态时，其检测模态下的位移变化会受到一定的限制，该种锚点的设置容易造成较大的锚点损失较大。同时，锚点所占的面积较大，这降低了芯片的面积使用率。本申请实施例将锚点5设置在振动结构3上，中心点O处设置有振动结构3，而不是锚点5。相比于中心处设置锚点的微机械陀螺仪，本申请实施例提供的微机械陀螺仪100减少了锚点5的面积，提高了用于对待测量敏感的振动结构3的面积，这提高芯片面积的使用率，增加了微机械陀螺仪100的检测灵敏度。

需要说明的是，微机械陀螺仪100包括6个振动结构3，每个振动结构3在基底1上的正投影可以看做是一个质量区域。微机械陀螺仪100的基底1上包括6个质量区域，这6个质量区域绕中心点O均匀分布，绕该中心点O大致布满360°，每个质量区域的圆心角约为60°。每一个质量区域内均设置一个振动结构3，每一振动结构3包含N个质量块。锚点5不设置在中心点O处，而是设置在振动结构3内的中间位置。

请参阅图2和图3，图2为本实用新型实施例提供的第二种微机械陀螺仪的结构示意图，图3为图2中微机械陀螺仪的部分结构示意图。此处以振动结构3只包含一个质量块31为例进行说明，相邻两个质量块31之间的设置有第一耦合梁8，示例性的，相邻的两个质量块31可以通过3个第一耦合梁8连接，任意两个相邻的质量块31之间的连接方式、第一耦合梁8的数量及分布相同。这样可以尽量减少因结构不对称带来的误差，第一耦合梁8的使用可以使得相邻的两个质量块31之间的运动联系。

如图3，6个质量块31绕中心点O大致均匀布满，其中，每一质量块 31包括第一质量子块311、第二质量子块312以及第二耦合梁2。第一质量子块311与第二质量子块312嵌套设置，第一质量子块311设置于第二质量子块312内。第一质量子块311与第二质量子块312之间间隔设置，第一质量子块311与第二质量子块312通过第二耦合梁2连接。第一质量子块311进入驱动模态，从而带动第二质量子块312进入驱动模态。或者，第二质量子块312进入驱动模态，从而带动第一质量子块311进入驱动模态。可以理解的是，将一个质量块31分成两个子部分，并通过第二耦合梁 2来连接两个子部分。在驱动整个质量块31进入驱动模态时，只需驱动质量块31的一个部分即可，一个部分的质量块31进入驱动模态之后，可以通过第二耦合梁2带动另一个部分的质量块31进入驱动模态。相比起质量块31的整体驱动，质量块31的局部驱动可以减少驱动所需的电能，达到降低微机械陀螺仪100能耗的作用。可以理解的是，质量块31也可以分为两个以上的子部分，同样是通过第二耦合梁2将各子部分连接为一个整体，从而保证质量块31在驱动模态下，各部分的运动状态相同。

请结合参阅图4，图4为图3所示B的局部放大图。锚点5设置在质量块31内部，第一质量子块311与第二质量子块312之间具有一定间隙，可以将锚点5设置于第一质量子块311与第二质量子块312之间。可以理解的是，锚点5并未直接设置在质量块31上，这样可以尽量减少锚点5 对质量块31的约束。微机械陀螺仪100还可以包括用于连接锚点5与质量块31中各部分的连接梁4，示例性的，锚点5可以通过连接梁4与第一质量子块311连接，连接梁4的一端连接所述锚点5，连接梁4的另一端连接第一质量子块311。需要说明的是，锚点5也可以通过连接梁4同时于第一质量子块311和第二梁子块连接，为了尽量减少锚点5对质量块31的约束，可以仅将锚点5与质量块31的某一个部分连接即可。

可以理解的是，待测量通常具有方向和大小的矢量，微机械陀螺仪100 是根据质量块31的不同位置的位移变化量来计算得出待测量。通常情况下，微机械陀螺仪100的质量分布需要高度对称，在测量大小相同但方向不同的待测量时，如果质量结构不对称，虽然能测量出待测量的方向，但是测出的待测量的大小很有可能不同，因为结构的不对称容易导致位移变化量不同。本申请实施例中的微机械陀螺仪100中，请参阅图3，每一质量块31均具有第二中心线OO₂’，第二中心线OO₂’穿过中心点O，质量块 31关于第二中心线OO₂’对称。可以理解的是，第二中心线OO₂’的数量与质量块31的数量相等为6N根，这些第二中心线OO₂’绕中心点O均匀分布。进一步的，质量块31中的各部分也可以设置为关于第二中心线OO₂’对称，如第一质量子块311可关于第二中心线OO₂’对称，第二质量子块312 可以关于第二中心线OO₂’对称。

每一质量块31上可以设置有多个锚点5，多个锚点5关于第二中心线 OO₂’对称分布，多个锚点5的对称设置可以有利于保持质量块31整体上的对称和受力对称。另外，多个锚点5在的分布需要与驱动模态和检测模态匹配，需要避免因锚点5的设置而导致质量块31的敏感度降低。

示例性的，请结合参阅图5，图5为图3所示A的局部放大图。质量块31可以分为第一质量子块311和第二质量子块312，第一质量子块311 嵌套在第二质量子块312中。第二质量子块312为三角形，多个第二质量子块312绕中心点O依次排列。第一质量子块311可以为“工”字形，第二质量子块312中设置有“工”字形的孔用于容纳第一质量子块311，第一质量子块311与第二质量子块312通过四个第二耦合梁2连接。该质量块31中设置有四个锚点5，四个锚点5均与第一质量子块311通过连接梁4连接，四个锚点5的分布位置关于第二中心线OO₂’对称。

每一振动结构3也可以包括两个或者两个以上的质量块31，示例性的，请参阅图8，图8为本实用新型实施例提供的第三种微机械陀螺仪的结构示意图。可以将现有的一个质量块31按第二中心线OO₂’分割为两个质量块31，这样有利于提搞质量块31的自由度，提搞检测灵敏度。

为了进一步减少锚点5对质量块31的约束，减少质量块31彼此之间的束缚。第二耦合梁2、连接梁4以及第一耦合梁8可以设置为如图4和图5以及图6所示的弯折结构，可以理解的是，相比起锚点5直接与第一质量子块311连接，该种细长条的多次弯折的连接梁可以尽量减少锚点5 对质量块31的约束。质量块31不管是进行驱动模态还是检测模态，都能贡献出更大的位移，这有利于微机械陀螺仪100灵敏度的提高。

微机械陀螺仪100工作在两个振动模态中，两个体振动模态包括工作在第一模态下的驱动模态，以及工作在第二模态下的检测模态；或工作在第二模态下的驱动模态，以及工作在第一模态下的检测模态；

其中，每一振动结构3包括第一中心线OO₁’，第一中心线OO₁’经过中心点O且振动结构关于第一中心线OO₁’对称，可以理解的是，当振动结构3只有一个质量块31时，第一中心线OO₁’与第二中心线OO₂’重合。

第一模态下，各振动结构3均沿第一中心线OO₁’方向运动，任意相邻的两个振动结构3中，一振动结构沿第一中心线OO₁’向所述中心O运动，另一振动结构3沿第一中心线OO₁’朝远离所述中心O的方向运动；第二模态下，振动结构3沿垂直于基底1所在平面的方向运动，振动结构3中各质量块31的运动模态相同。

微机械陀螺仪100还可以包括面内换能器7和面外换能器9，面内换能器7、面外换能器9均可以实现结构平面内的机械场(包括机械力、机械位移)与电场的耦合，其形式可以但不限于电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合。面内换能器7、面外换能器9可以产生激励质量块31 以驱动模态振型振动所需的外部驱动力，还可以获取驱动模态的振动位移以及检测模态的振动位移。可以匹配驱动模态与检测两模态间的频率，并起到抑制结构的正交误差的作用。

可以理解的是，面内换能器7可以驱动质量块31以第一模态进入驱动模态，相应的，面外换能器9检测质量块31在检测模态下的位移变化。当微机械陀螺仪100进入驱动模态时，面内换能器7可以将电能转化为机械能，面外换能器9将机械能转化为电能，即面内换能器7驱动质量块31 运动，面外换能器9用于检测圆环形质量块31在哥氏力作用下的产生的位移。示例性的，请参阅图7，图7为图2所示微机械陀螺仪以第一模态进入驱动模态的运动示意图。在驱动模态下，振动结构3内的N个质量块31 的位移均相同，相邻两个振动结构3的径向位移的方向相反。一质量块31 朝中心点O发生平移，相邻的质量块31朝远离中心点O的方向发生平移。需要说明的是，设置6个振动结构3划分形成6个质量块区域，这种结构配合上述驱动模态，则类似于面内3θ振型，其激发的检测模态类似于面外 2阶弯曲振型。检测模态与驱动模态的匹配度较高，具有较高的灵敏度。

也可以由面外换能器9驱动微机械陀螺仪100以第二模态进入驱动模态，相应的，由面内换能器7进行检测任务。面外换能器9将电能转换成机械能，面内换能器7能将机械能转化为电能。面外换能器9驱动质量块 31运动，面内换能器7用于检测质量块31在哥氏力作用下的运动。

面内换能器7与质量块31的面内运动有关，质量块31的面内运动主要是朝中心点O平移或朝远离中心的方向平移。面内换能器7需要与质量块31大致设置于同一平面，面内换能器7可以设置于振动结构3远离中心点O一侧，也可分布在质量块31靠近中心点O的位置，同样也可以设置在锚点5附近，即面内换能器7设置于质量块31的内侧或外侧，此处对面内换能器7的位置不做限制。面外换能器9与质量块31的面外运动有关，质量块31的面外运动主要是朝基底1运动或朝远离基底1的方向运动。面外换能器9不必与质量块31设置于同一平面。面外换能器9可以设置于基底1上，与质量块31朝向基底1的一面相对。也可以不设置在基底1上，而设置在质量块31远离基底1的一侧。

换能器需要能准确地将质量块31上的每一点都按照预设的运动状态驱动，或者在检测模态下，换能器需要能准确的检测到质点的位移。

面内换能器7的数量可以为多个，示例性的，面内换能器7的数量可以是3N个，如N＝2，面内换能器7的数量为6个，每一质量块31的远离中心点O的一侧均可设置一面内换能器7，这能加强面内换能器7对质量块31的控制的准确度。面内换能器7的形状可以根据质量块31外边缘的形状进行设置。示例性的，当第二质量子块312为三角形时，其外边缘为直线型，则面内换能器7也可以为直线型。当第二质量子块312为扇形时，其外边缘为弧形，则面内换能器7也可以设置为弧形。这同样有利于提高面内换能器7对质量块31驱动模态的控制和对检测模态检测的准确性。

面外换能器9的数量也可以为多个，示例性的，面外换能器9的数量为2N个，2N个面外换能器9绕所述中心点O均匀分布。当N＝1时，第二换能器的数量为2个，2个第一换能器可以间隔180°地均匀地绕圆心分布。当N＝2时，第一换能器的数量为4个，4个第一换能器可以间隔90°均匀地绕圆心分布。面外换能器9在基底1上的正投影位于6个振动结构 3在基底1上的正投影内。同样的，该种设置同样有利于提高面内换能器7 对质量块31驱动模态的控制和对检测模态检测的准确性。

基底1上设有绝缘层，锚点5、面内换能器7以及面外换能器9均通过绝缘层与基底1连接。

以上所述的仅是本实用新型的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种微机械陀螺仪，其特征在于，包括基底、与所述基底固定的锚点、悬置于所述基底上并与所述锚点机械耦合的6个振动结构、用于耦合所述振动结构所在平面内的机械场与电场的面内换能器、以及用于耦合所述振动结构所在平面外的机械场与电场的面外换能器，所述基底上具有中心点，所述6个振动结构绕所述中心点均匀分布，每一所述振动结构包含N个质量块，N为大于或等于1的整数，所述微机械陀螺仪还包括设置于相邻两个所述质量块之间的第一耦合梁，以使多个所述质量块运动关联；

所述微机械陀螺仪工作在两个振动模态中，两个所述振动模态包括工作在第一模态下的驱动模态，以及工作在第二模态下的检测模态，两个振动模态可相互互换；

每一所述振动结构中各所述质量块的振动模态均相同，在所述第一模态下，任一所述振动结构均沿径向方向运动，且相邻两个所述振动结构的运动方向相反；在所述第二模态下，所述振动结构沿垂直于所述基底所在平面的方向运动。

2.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述微机械陀螺仪还包括用于连接锚点与所述质量块的连接梁，所述锚点的数量为多个，每一所述质量块套设于至少一个所述锚点并与所述锚点结构通过所述连接梁固定。

3.根据权利要求2所述的微机械陀螺仪，其特征在于：每一所述质量块包括第一质量子块、与所述第一质量子块嵌套设置的第二质量子块、以及用于连接所述第一质量子块与所述第二质量子块的第二耦合梁，所述锚点设置于所述第一质量子块与第二质量子块之间。

4.根据权利要求3所述的微机械陀螺仪，其特征在于：每一所述质量块均具有第二中心线，所述第二中心线穿过所述中心点，所述第一质量子块关于所述第二中心线对称，所述第二质量子块关于所述第二中心线对称，多个所述锚点关于所述第二中心线对称分布。

5.根据权利要求4所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述第一质量子块设置于所述第二质量子块内，多个所述锚点均通过所述连接梁与所述第一质量子块连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述面内换能器的数量为3N，所述面外换能器的数量为2N，N为大于或等于1的整数。

7.根据权利要求6所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述面内换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合；所述面外换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合。

8.根据权利要求6所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述面内换能器设置于所述质量块内侧或外侧，所述面外换能器设置于所述振动结构与所述基底之间。

9.根据权利要求6所述的微机械陀螺仪，其特征在于：3N个所述面内换能器绕所述中心点均匀分布，2N个所述面外换能器绕所述中心点均匀分布。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的微机械陀螺仪，其特征在于：每一所述振动结构包括第一中心线，所述第一中心线经过所述中心点且所述振动结构关于所述第一中心线对称，第一模态下，各所述振动结构均沿所述第一中心线方向运动，任意相邻的两个所述振动结构中，一所述振动结构沿第一中心线向所述中心点运动，另一所述振动结构沿所述第一中心线朝远离所述中心点的方向运动。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述基底上设有绝缘层，所述锚点、所述面内换能器以及所述面外换能器均通过所述绝缘层与所述基底连接。

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