CN216791219U - 微机械陀螺仪 - Google Patents
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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
【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振动结构的质量使用率不高，灵敏度较低。且现有技术中的圆盘型陀螺仪仅能检测对产生平面内的检测模态的转动，无法同时检测面外第三轴的检测模态的转动。
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，可以同时实现三轴检测，且极大的提高了振动结构的质量利用率。
本实用新型的技术方案如下：一种微机械陀螺仪，所述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多个振动结构、驱动所述振动结构在x-y平面内沿环向振动的驱动结构、以及检测所述振动结构受到哥氏力导致偏斜的感测元件；
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；
所述多个振动结构至少包括四组，四组所述振动结构同时关于x轴以及y轴对称，在所述第二模态下，所述振动结构均能在哥氏力的作用下在 x-y平面内或者x-y平面外运动。
优选的，所述微机械陀螺仪还包括用于连接所述锚点与所述振动结构的第一弹性件以及连接相邻两个振动结构之间的第二弹性件，所述第一弹性件在沿径向方向上具有最小的弹性系数，所述第二弹性件在沿环向方向上具有最小的弹性系数。
优选的，所述振动结构为扇形结构，所述振动结构圆心角小于等于90 度。
优选的，所述振动结构在所述第一模态下振动时，所述振动结构在所述第一模态下振动时，所述振动结构沿环向振动且振动相位相同。
优选的，所述振动结构在所述第一模态下振动时，任意两个相邻的振动结构沿环向振动且振动相位相反。
优选的，所述感测元件包括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。
优选的，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。
优选的，所述面内换能器设置于所述振动结构内侧或外侧，所述面外换能器设置于所述振动结构与所述基底之间。
优选的，所述驱动结构为梳齿状电极结构。
优选的，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：本实用新型提供的微机械陀螺仪的振动结构同时关于面内的x轴以及y轴对称，且所有振动结构均被配置为可以在检测模态下，发生x-y面内的振动以及x-y面外的振动，使得微机械陀螺仪能够产生更大的哥氏力，从而提高了微机械陀螺仪的灵敏度，有利于传感器的偏置稳定性，同时也增加了微机械陀螺仪的面积使用率，有益于实现小型化的微机械陀螺仪。
【附图说明】
图1为本实用新型实施例提供的微机械陀螺仪的结构示意图；
图2为图1中A部分的局部放大图；
图3为图1中B部分的局部放大图；
图4为图1所示的微机械陀螺仪第一振动模态的第一实施例示意图；
图5为图1所示的微机械陀螺仪第一振动模态的第二实施例示意图；
【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(未图示)、固定于所述基底的锚点1，以及4个振动结构。基底用于为各部件提供支撑。4个所述振动结构均位于同一x-y平面中，且均为扇形结构。所述驱动结构为梳齿状电极结构。每个振动结构的圆心角均为90度，且四个所述振动结构环绕所述锚点 1设置，依序分别间隔设置为第一振动结构21、第二振动结构22、第三振动结构23以及第四振动结构24。所述第一振动结构21和所述第二振动结构22关于x轴对称于所述第二振动结构23和所述第四振动结构24；所述第一振动结构21和所述第四振动结构24关于y轴对称于所述第二振动结构22和所述第三振动结构23。
所述微机械陀螺仪100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；当所述微机械陀螺仪100工作于第一模态下的驱动模态时，所述振动结构沿环向在x-y平面内振动。
如图2至图3所示，所述微机械陀螺仪还包括用于连接所述锚点1与所述振动结构2的第一弹性件31以及连接相邻两个振动结构之间的第二弹性件32，所述第一弹性件31与所述第二弹性件32沿径向间隔设置，所述第一弹性件在沿径向方向上具有最小的弹性系数，所述第二弹性件在沿环向方向上具有最小的弹性系数。具体的，所述第一弹性件包括多个沿径向折叠延伸的第一弹力臂311，所述第二弹性件包括多个沿环向折叠延伸的第二弹力臂321。需要说明的是，本实用新型提供的微机械陀螺仪结构中，所述第一弹性件31以及所述第二弹性件32并不限定于本实施例所公开的结构，对于任何满足其弹性系数限定的弹性件设计结构，均应在本实用新型保护范围内。
通过设置第一弹性件31弹性连接振动结构与锚点1，且第一弹性件在径向上具有最小的弹性系数，本实用新型提供的微机械陀螺仪能够有效减小振动结构不同模态运动之间的耦合。从而避免不同模态运动的干扰，降低非运动质量块的位移，降低正交误差。有利于微机械陀螺仪的偏置稳定性。
通过设置第二弹性32弹性连接任意两个相邻的振动结构，便于实现相邻振动结构之间的同相(如图4所示)或反相运动(如图5所示)，当相邻振动结构在第一模态设置为反相振动时，本实用新型提供的微机械陀螺仪可以实现差分检测，从而能够有效免疫加速度对微机械陀螺仪的干扰以及正交误差的影响。
如图4所示，在第一模态下，所述振动结构沿环向振动且振动相位相同(例如均为绕环向沿顺时针方向振动)。在其他可选的实施方式中，如图 5所示，所述振动结构在所述第一模态下振动时，任意两个相邻的振动结构沿环向振动且振动相位相反(例如所述第一振动结构21以及第三振动结构23均绕环向沿顺时针方向振动，所示第二振动结构22以及第四振动结构24均绕环向沿逆时针方向振动)。
微机械陀螺仪100还包括感测元件4，所述感测元件4包括面内换能器(未图示)和面外换能器(未图示)，面内换能器、面外换能器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、面外换能器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。
在微机械陀螺仪输入X轴角速度时，第一振动结构21及第二振动结构22朝向x-y平面下摆动，第三振动结构23和第四振动结构24朝向x-y 平面上摆动；在微机械陀螺仪输入Y轴角速度时，第一振动结构21和第四振动结构24朝向x-y平面上摆动，第二振动结构22和第三振动结构23 朝向x-y平面下摆动；在微机械陀螺仪输入Z轴角速度时，所述振动结构均沿径向朝向外侧运动。
在微机械陀螺仪输入X轴角速度时，第一振动结构21及第三振动结构23同向朝x-y面外翻转，第二振动结构22和第四振动结构24同向朝x-y 平面外翻转；在微机械陀螺仪输入Y轴角速度时，第一振动结构21及第三振动结构23同向朝x-y面外翻转，其翻转方向与输入X轴角度时相反，第二振动结构22和第四振动结构24同向朝x-y平面外翻转，其翻转方向与输入X轴时相反；在微机械陀螺仪输入Z轴角速度时，所述第一振动结构21和第三振动结构23沿径向朝向外侧运动，所述第二振动结构22和第四振动结构24沿径向朝内侧运动。
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 (10)
1.一种微机械陀螺仪，所述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多个振动结构、驱动所述振动结构在x-y平面内沿环向振动的驱动结构、以及检测所述振动结构受到哥氏力导致偏斜的感测元件；
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；
其特征在于，所述多个振动结构至少包括沿环向间隔设置的四组，四组所述振动结构同时关于x轴以及y轴对称，在所述第二模态下，所述振动结构均能在哥氏力的作用下在x-y平面内或者x-y平面外运动。
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所述锚点与所述振动结构的第一弹性件以及连接相邻两个振动结构之间的第二弹性件，所述第一弹性件在沿径向方向上具有最小的弹性系数，所述第二弹性件在沿环向方向上具有最小的弹性系数。
3.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述振动结构为扇形结构，所述振动结构圆心角小于等于90度。
4.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述振动结构在所述第一模态下振动时，所述振动结构沿环向振动且振动相位相同。
5.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述振动结构在所述第一模态下振动时，任意两个相邻的振动结构沿环向振动且振动相位相反。
6.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述感测元件包括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。
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振动结构内侧或外侧，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1所述的微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动结构为梳齿状电极结构。
10.根据权利要求1至9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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