CN103411595B - 一种单轴微机电***陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单轴微机电***陀螺仪，包括扭动质量块、各锚点和设置在各锚点与扭动质量块之间的各电容组，各电容组的固定和可动梳齿具有沿z轴方向的高低差；驱动电容组的固定梳齿通过作为驱动电极的锚点固定在基底上，可动梳齿分别与扭动质量块的连接；检测电容组的固定梳齿通过检测锚点固定在基底上，可动梳齿与扭动质量块连接，由检测锚点构成的一对检测电极将电容变化信号反馈给一对驱动电极；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，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。本发明的陀螺仪具有结构简单，对于单项运动的角速度测量结果误差较小的特点。

Description

一种单轴微机电***陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种微机电***陀螺仪,特别是一种单轴微机电***陀螺仪。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System，微机电***）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，对抗振性能比较差。

发明内容

本发明的目的在于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，提供一种单轴微机电***陀螺仪。

本发明采用的技术方案为：一种单轴微机电***陀螺仪，包括扭动质量块、分布于扭动质量块四周的各锚点和设置在位于各锚点与扭动质量块之间的电容组设置区内的各电容组，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，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分设于扭动质量块的左、右侧，位于左、右侧的驱动电容组的固定梳齿分别通过左、右驱动锚点固定在基底上，位于左、右侧的驱动电容组的可动梳齿分别与扭动质量块的左、右侧壁连接，所述左、右驱动锚点作为一对驱动电极用于接收***电路提供的驱动信号；

每对两个检测电容组分设于扭动质量块的左、右侧，位于左、右侧的检测电容组的固定梳齿通过与各自对应的检测锚点固定在所述基底上，位于左、右侧的检测电容组的可动梳齿分别与扭动质量块的左、右侧壁连接，各检测锚点分两组连接在一起构成一对用于将检测电容组的电容变化信号反馈给一对所述驱动电极的检测电极，使每对检测电容组的两 个检测电容组与不同的检测电极连接，以调节驱动电容组的振动幅度；

每对两个敏感电容组分设于扭动质量块的上、下侧，位于上、下侧的敏感电容组的固定梳齿通过与各自相对应的敏感锚点固定在所述基底上，位于上、下侧的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；各敏感锚点分两组连接在一起构成一对提供用于测定外加角速度值的敏感信号的敏感电极，使每对敏感电容组的两个敏感电容组与不同的敏感电极连接，所有敏感电容组的可动梳齿通过固定弹性梁与各固定锚点连接；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。

优选的是，每对两个驱动电容组关于y轴对称，及每对两个驱动电容与扭动质量块的连接位置关于y轴对称。

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。

优选的是，所述左、右驱动锚点在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，各对检测电容组关于y轴对称设置，两对检测电容组关于x轴对称设置，与两对检测电容组中的分别位于左、右侧的检测电容组的固定梳齿相连接的检测锚点连接在一起形成一对检测电极。

优选的是，所述电容组包括两对敏感电容组，各对敏感电容组关于x轴对称设置，两对敏感电容组关于y对称设置，与两对敏感电容组中的分别位于上、下侧的敏感电容组的固定梳齿相连接的敏感锚点连接在一起形成一对敏感电极。

优选的是，所述固定锚点设置于单轴微机电***陀螺仪的四个边角处。

本发明的有益效果为：结构简单，对于单项运动的角速度测量结果误差较小，抗振性能好。

附图说明

图1为本发明单轴微机电***陀螺仪整体结构示意图。

图2为本发明单轴微机电***陀螺仪驱动电容组可动梳齿与固定梳齿的截面图。

图3为本发明单轴微机电***陀螺仪中扭动质量块运动状态图。

图4为本发明单轴微机电***陀螺仪中驱动电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：

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为实施例说明本发明的单轴微机电***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，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，如图1所示，扭动质量块m1的四周分布有锚点，锚点与扭动质量块m1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、上、下侧的左、右、上、下电容组设置区。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C1的固定梳齿通过左驱动锚点1a固定在陀螺仪的基底上，可动梳齿与扭动质量块m1的左侧壁连接；位于右电容组设置区内的两个驱动电容组C2的固定梳齿通过右驱动锚点1b固定在所述基底上，可动梳齿与扭动质量块m1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***电路提供的驱动信号。

每对敏感电容组的两个敏感电容组分设在左、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，可动梳齿与扭动质量块m1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，可动梳齿与扭动质量块m1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。以上的与扭动质量块m1连接的可动梳齿将随扭动质量块m1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。对于上述配置，位于左、右电容组设置区内的一对驱动电容组关于y轴对称设置，两对驱动电容组关于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）的在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、右侧的两个驱动电容组与扭动质量块m1之间产生反相的驱动力，从而带动扭动质量块m1沿y轴做简谐振动。检测电容组C2 由于扭动质量块M1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，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：驱动模态和检测模态，驱动模态为扭动质量块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，而另一端在固定弹性梁b3及与其连接的固定锚点5作用下不动，因此，在驱动模态下，外周弹性梁b2会扭动；在敏感模态下，整个结构除电容组的固定梳齿和各锚点外，将绕Z轴相对于原点旋转，此时外周弹性梁b2在不考虑加工误差情况下只会在XY平面内发生变形。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.一种单轴微机电***陀螺仪，其特征在于：包括扭动质量块、分布于扭动质量块四周的各锚点和设置在位于各锚点与扭动质量块之间的电容组设置区内的各电容组，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，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分设于扭动质量块的左、右侧，位于左、右侧的驱动电容组的固定梳齿分别通过左、右驱动锚点固定在基底上，位于左、右侧的驱动电容组的可动梳齿分别与扭动质量块的左、右侧壁连接，所述左、右驱动锚点作为一对驱动电极用于接收***电路提供的驱动信号；

每对两个检测电容组分设于扭动质量块的左、右侧，位于左、右侧的检测电容组的固定梳齿通过与各自对应的检测锚点固定在所述基底上，位于左、右侧的检测电容组的可动梳齿分别与扭动质量块的左、右侧壁连接，各检测锚点分两组连接在一起构成一对用于将检测电容组的电容变化信号反馈给一对所述驱动电极的检测电极，使每对检测电容组的两个检测电容组与不同的检测电极连接，以调节驱动电容组的振动幅度；所述电容组包括两对检测电容组，各对检测电容组关于y轴对称设置，两对检测电容组关于x轴对称设置，与两对检测电容组中的分别位于左、右侧的检测电容组的固定梳齿相连接的检测锚点连接在一起形成一对检测电极；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；

每对两个敏感电容组分设于扭动质量块的上、下侧，位于上、下侧的敏感电容组的固定梳齿通过与各自相对应的敏感锚点固定在所述基底上，位于上、下侧的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；各敏感锚点分两组连接在一起构成一对提供用于测定外加角速度值的敏感信号的敏感电极，使每对敏感电容组的两个敏感电容组与不同的敏感电极连接，所有敏感电容组的可动梳齿通过固定弹性梁与各固定锚点连接；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。

2.根据权利要求1所述的单轴微机电***陀螺仪，其特征在于：每对两个驱动电容组关于y轴对称，及每对两个驱动电容与扭动质量块的连接位置关于y轴对称。

3.根据权利要求2所述的单轴微机电***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，驱动电容组C1相邻梳齿的在z轴方向上的高度存在高低差。

4.根据权利要求1、2或3所述的单轴微机电***陀螺仪，其特征在于：所述左、右驱动锚点在x轴上关于y轴对称设置。

5.根据权利要求1、2或3所述的单轴微机电***陀螺仪，其特征在于：所述电容组包括两对敏感电容组，各对敏感电容组关于x轴对称设置，两对敏感电容组关于y对称设置，与两对敏感电容组中的分别位于上、下侧的敏感电容组的固定梳齿相连接的敏感锚点连接在一起形成一对敏感电极。

6.根据权利要求1、2或3所述的单轴微机电***陀螺仪，其特征在于：所述固定锚点设置于单轴微机电***陀螺仪的四个边角处。