CN107328402A - 一种三轴mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴MEMS陀螺仪，包括：基板；设置在基板上的可动部件，可动部件包括检测质量块以及多个驱动质量块；设置在基板上的固定锚点，固定锚点位于检测质量块与基板之间，且与检测质量块可动连接；设置在基板上的多个固定电极；多个固定电极分为第一电极组以及第二电极组；第一电极组中，固定电极位于基板表面，对称的设置在固定锚点的四周，且位于基板与检测质量块之间；第二电极组中，固定电极对称的设置在固定锚点的四周，且在初始状态下与可动部件同层设置；当进行角速度检测时，固定电极用于检测固定电极相与可动部件之间的电容变化，基于检测结果获取角速度信息。该MEMS陀螺仪结构简单，且需要的驱动电路结构简单。

Description

一种三轴MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电***(Micro-Electro-Mechanical System简称MEMS)，更具体的说，涉及一种三轴MEMS陀螺仪。

背景技术

随着MEMS技术的日益发展，MEMS惯性传感器(如MEMS加速度计以及MEMS陀螺仪)的性能指标越来越高，以其尺寸小、价格便宜的优势在汽车、工艺、医疗以及移动终端电子设备等各个领域都得到了广泛的应用，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。

目前，常见的MEMS陀螺仪主要为电容谐振式陀螺仪，即通过驱动电容机械结构使质量块在驱动模态上振动，在通过检测电容检测由于科里奥利力导致的质量块在检测方向的运动引起的电容变化，从而实现检测角速度。

现有技术中的三轴MEMS陀螺仪，其机械部分分由三个独立的X，Y，Z单轴陀螺仪构成，每个单轴陀螺仪结构中需要分别包含独立的质量块以及驱动以及检测结构，并且相应的ASIC电路中需要采用三套独立的驱动电路分别驱动，导致三轴MEMS陀螺仪的芯片体积较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种三轴MEMS陀螺仪，三轴MEMS陀螺仪的结构简单，且需要的驱动电路结构简单。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种三轴MEMS陀螺仪，所述三轴MEMS陀螺仪包括：

基板；

设置在所述基板上的可动部件，所述可动部件包括检测质量块以及多个驱动质量块；所述驱动质量块与所述检测质量块可动连接，且对称的设置在所述检测质量块四周；

设置在所述基板上的固定锚点，所述固定锚点位于所述检测质量块与所述基板之间，且与所述检测质量块可动连接；

设置在所述基板上的多个固定电极；所述多个固定电极分为第一电极组以及第二电极组，所述第一电极组以及所述第二电极组均具有多个所述固定电极；所述第一电极组中，所述固定电极位于所述基板表面，对称的设置在固定锚点的四周，且位于所述基板与所述检测质量块之间；所述第二电极组中，所述固定电极对称的设置在所述固定锚点的四周，且在初始状态下与所述可动部件同层设置；

其中，当进行角速度检测时，所述固定电极用于检测所述固定电极相与所述可动部件之间的电容变化，基于检测结果获取角速度信息；所述初始状态下，输入所述可动部件的角速度为零。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述基板表面具有多个电极基座，所述电极基座与所述第二电极组中的所述固定电极一一对应，所述电极基座表面用于设置位于所述第二电极组的所述固定电极；

在Z轴的方向上，所述多个电极基座为中心对称图形，对称中心为所述固定锚点，Z轴垂直于所述基板。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述可动部件为中心对称图形；

在所述初始状态下，所述固定锚点位于所述可动部件的对称中心。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述检测质量块与所述固定锚点之间、所述检测质量块与所述驱动质量块之间以及相邻的所述驱动质量块之间均通过对应的弹簧梁可动连接。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述检测质量块位于一正方形区域内，所述正方形区域平行于所述基板，所述固定锚点位于所述正方形区域的中心；

所述检测质量块为中心对称图形；所述检测质量块包括：中心环状部分以及设置在所述中心环状部分***的四个凸出部分；所述凸出部分分别位于所述正方形区域的四个顶角；相邻两个所述凸出部分之间具有第一镂空区域。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述第一VV电极组具有四个所述固定电极；

所述凸出部分正对的所述基板表面均设置有一个所述固定电极。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述可动部件具有四个所述驱动质量块；四个所述驱动质量块依次为第1驱动质量块-第4驱动质量块；

所述正方形区域的每条边的外侧均设置有一个所述驱动质量块；

所述驱动质量块与相邻的两个所述凸出部分分别通过对应的所述弹簧梁可动连接，且所述驱动质量块利用与其相邻的两个所述凸出部分之间的所述第一镂空区域与所述中心环状部分通过对应的所述弹簧梁可动连接。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述三轴MEMS陀螺仪具有24个所述弹簧梁；24个所述弹簧梁依次为第1弹簧梁-第24弹簧梁；

第1弹簧梁-第4弹簧梁对称的设置在所述固定锚点四周，用于将所述中心环状部分的内侧与所述固定锚点可动连接；

第5弹簧梁-第12弹簧梁对称的设置在所述中心环状部分的外侧，且位于所述第一镂空区域内；该8个弹簧梁均分为4组，每一组中的两个所述弹簧梁用于将一个所述驱动质量块与所述中心环状部分可动连接；

第13弹簧梁-第20弹簧梁对称的设置在所述正方形区域的四周，该8个弹簧梁均分为4组，每一组中的两个所述弹簧梁用于使得一个所述驱动质量块分别与相邻的两个所述凸出部分可动连接；

第21弹簧梁-第24弹簧梁分别设置在所述正方形区域的四个顶点，该4个弹簧梁中，每一所述弹簧梁用于使得同一所述顶点相邻的两个所述驱动质量块之间可动连接。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述驱动质量块具有与所述第一镂空区域相对的第二镂空区域；

所述第一电极组具有24个所述固定电极；24个所述固定电极依次为第1固定电极-第24固定电极；

第1固定电极-第8固定电极对称的设置在所述正方形区域的四周，该8个所述固定电极均分为4组，该4组所述固定电极分别设置在四个所述驱动质量块的所述第二镂空区域内；

第9固定电极-第16固定电极对称的设置在所述中心环状部分的外侧，且位于所述正方形区域内；该8个所述固定电极均分为4组，该4组所述固定电极分别设置在四个所述第一镂空区域内；

第17固定电极-第24固定电极对称的设置在所述中心环状部分的外侧，且位于所述正方形区域内；该8个所述固定电极均分为4组，该4组所述固定电极分别设置在四个所述第一镂空区域内。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，第1驱动质量块-第4驱动质量块与第1固定电极-第4固定电极形成第一驱动电容组，与第5固定电极-第8固定电极形成第二驱动电容组；

设定三维直角坐标系XYZ的坐标原点O位于可动部件的对称中心，驱动所述三轴MEMS陀螺仪进行角速度检测时，所述第一驱动电容组的两端与所述第二驱动电容组的两端均用于施加方向相反的交变电压，使得第1驱动质量块-第4驱动质量块分别在XY平面的四个象限的角平分线做往复运动；其中，Z轴垂直于所述基板，X轴与Y轴所在平面XY平面平行于所述基板，四个驱动质量块分别位于XY平面的四个象限。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入X轴的角速度时，X轴一侧的两个所述驱动质量块与另一侧的另外两个所述驱动质量块受到方向相反的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕X轴转动，基于所述第一电极组中相应的所述固定电极与所述检测质量块的电容变化检测输入X轴的角速度。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入Y轴的角速度时，Y轴一侧的两个所述驱动质量块与另一侧的另外两个所述驱动质量块受到方向相反的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕Y轴转动，基于所述第一电极组中相应的所述固定电极与所述检测质量块的电容变化检测输入Y轴的角速度。

优选的，在上述三轴MEMS陀螺仪中，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入Z轴的角速度时，四个所述驱动质量块在XY平面内受到与其各自往复运动方向垂直的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕Z轴转动，基于所述第二电极中相应的所述固定电极与所述检测质量块的电容变化检测输入Z轴的角速度。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的三轴MEMS陀螺仪中，可以通过设置第一电极组以及第二电极组中固定电极的分布，分别控制驱动质量块在第二坐标轴以及第三坐标轴所在的平面做往复运动，且可以分别检测第一坐标轴输入的角速度、第二坐标轴输入的角速度以及第三坐标轴输入的角速度，实现第一坐标轴、第二坐标轴以及第三坐标轴为三维直角坐标系的三个坐标轴，第二坐标轴以及第三坐标轴所在平面平行于基板，第一坐标轴垂直于基板。三个坐标轴上角速度的检测通过同一可动部件以及同一套驱动实现，三轴MEMS陀螺仪的结构简单，且需要的驱动电路结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1a为本发明实施例提供的一种三轴MEMS陀螺仪的俯视图；

图1b为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中质量检测模块以及质量驱动模块的图形结构；

图1c为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中检测质量块M1的图形结构；

图1d为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中驱动质量块的图形结构；

图1e为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中固定电极的图形结构；

图2为图1a所示三轴MEMS陀螺仪在PP’方向的切面图；

图3为图1a所示三轴MEMS陀螺仪在QQ’方向的切面图；

图4为图1a的局部放大图；

图5为图1a所示三轴MEMS陀螺仪驱动质量块运动的原理示意图；

图6为图1a所示三轴MEMS陀螺仪检测输入X轴的角速度的原理示意图；

图7为图1a所示三轴MEMS陀螺仪检测输入Y轴的角速度的原理示意图；

图8为图1a所示三轴MEMS陀螺仪检测输入Z轴的角速度的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1a-图4，图1a为本发明实施例提供的一种三轴MEMS陀螺仪的俯视图，图1b为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中质量检测模块以及质量驱动模块的图形结构，图1c为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中检测质量块M1的图形结构，图1d为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中驱动质量块的图形结构，图1e为图1a所示三轴MEMS陀螺仪中固定电极的图形结构，图2为图1a所示三轴MEMS陀螺仪在PP’方向的切面图，图3为图1a所示三轴MEMS陀螺仪在QQ’方向的切面图，图4为图1a的局部放大图。所述三轴MEMS陀螺仪包括：基板11、设置在所述基板11上的可动部件PM、设置在所述基板11上的固定锚点A1以及设置在所述基板11上的多个固定电极E。

所述可动部件PM包括检测质量块M1以及多个驱动质量块12。所述驱动质量块12与所述检测质量块M1可动连接，且对称的设置在所述检测质量块M1四周。可动部件PM为中心对称结构，固定锚点A1位于其对称中心。检测质量块M1为中心对称结构，固定锚点A1位于其对称中心。多个驱动质量块1为中心对称结构，固定锚点A1位于其对称中心。

所述固定锚点A1位于所述检测质量块M1与所述基板11之间，且与所述检测质量块M1可动连接。

所述多个固定电极E分为第一电极组以及第二电极组，所述第一电极组以及所述第二电极组均具有多个所述固定电极E。所述第一电极组中，所述固定电极E位于所述基板11表面，位于所述基板11与所述检测质量块M1之间，对称的设置在固定锚点A1的四周。所述第二电极组中，所述固定电极E对称的设置在所述固定锚点A1的四周，且在初始状态下与所述可动部件PM同层设置。

其中，当进行角速度检测时，所述固定电极E用于检测所述固定电极E相对于所述可动部件PM之间的电容变化，基于检测结果获取角速度信息；所述初始状态下，输入所述可动部件PM的角速度为零。

本发明实施例附图中，为了便于清楚图示结构关系，建立三维直角坐标系O-XYZ。Z轴垂直于基板11，由基板11指向可动部件PM，X轴与Y轴所在平面XY平面平行于基板11。

所述基板11表面具有多个电极基座13，所述电极基座13与所述第二电极组中的所述固定电极E一一对应，所述电极基座13表面用于设置位于所述第二电极组的所述固定电极E；在Z轴的方向上，所述多个电极基座13为中心对称图形，对称中心为所述固定锚点A1。

所述固定锚点A1以及电极基座13固定在基板11上。固定锚点A1以及电极基座13可以通过半导体工艺制备。如可以通过对较厚的半导体衬底进行刻蚀，形成所述基板11、所述固定锚点A1以及电极基座13。也可以直接提供一基板11，然后在基板上形成待刻蚀层，通过刻蚀所述待刻蚀层形成所述述固定锚点A1以及电极基座13。

所述可动部件PM具有第一梳齿21；在所述初始状态下，所述第一梳齿21平行于所述基板11；所述第二电极组中，所述固定电极E具有与所述第一梳齿21相互嵌套的第二梳齿22。通过设置相互嵌套的第一梳齿21以及第二梳齿22，可以增加可动部件PM与所述固定电极E之间的电容，可以便于驱动可动部件以及进行加速度检测。

所述可动部件PM为中心对称图形。在所述初始状态下，所述固定锚点A1位于所述可动部件PM的对称中心。

所述检测质量块M1与所述固定锚点A1之间、所述检测质量块M1与所述驱动质量块12之间以及相邻的所述驱动质量块12之间均通过对应的弹簧梁B可动连接。其中，为了简化制作工艺，降低制作成本，可以设置所述检测质量块M1、所述驱动质量块12以及所述弹簧梁B由同一功能层图案化制备。可以通过半导体工艺，采用同一层材料制备所述检测质量块M1、所述驱动质量块12以及所述弹簧梁B，该层材料可以为硅材料，以便于通过半导体工艺制备预设图案结构，形成所述检测质量块M1、所述驱动质量块12以及所述弹簧梁B。

所述检测质量块M1位于一正方形区域内，所述正方形区域平行于所述基板11，所述固定锚点A1位于所述正方形区域的中心。所述检测质量块M1为中心对称图形，其对称中心设置有所述固定锚点A1。所述检测质量块M1包括：中心环状部分m1以及设置在所述中心环状部分m1***的四个凸出部分m2；所述凸出部分m2分别位于所述正方形区域的四个顶角；相邻两个所述凸出部分m2之间具有第一镂空区域。

在图1a-图4所示实施方式中，所述第一电极组具有四个所述固定电极E；所述凸出部分m2正对的所述基板11表面均设置有一个所述固定电极E。

所述可动部件具有四个所述驱动质量块12。四个所述驱动质量块12依次为第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5。

所述正方形区域的每条边的外侧均设置有一个所述驱动质量块12。所述驱动质量块12与相邻的两个所述凸出部分m2分别通过对应的所述弹簧梁B可动连接，且所述驱动质量块12利用与其相邻的两个所述凸出部分m2之间的所述第一镂空区域与所述中心环状部分m1通过对应的所述弹簧梁B可动连接。

所述三轴MEMS陀螺仪具有24个所述弹簧梁B；24个所述弹簧梁B依次为第1弹簧梁B1-第24弹簧梁B24。第1弹簧梁B1-第4弹簧梁B4对称的设置在所述固定锚点A1四周，用于将所述中心环状部分m1的内侧与所述固定锚点A1可动连接。第5弹簧梁B5-第12弹簧梁B12对称的设置在所述中心环状部分m1的外侧，且位于所述第一镂空区域内；该8个弹簧梁B均分为4组，每一组中的两个所述弹簧梁B用于将一个所述驱动质量块12与所述中心环状部分m1可动连接。第13弹簧梁B13-第20弹簧梁B20对称的设置在所述正方形区域的四周，该8个弹簧梁B均分为4组，每一组中的两个所述弹簧梁B用于使得一个所述驱动质量块12分别与相邻的两个所述凸出部分m2可动连接。第21弹簧梁B21-第24弹簧梁B24分别设置在所述正方形区域的四个顶点，该4个弹簧梁B中，每一所述弹簧梁B用于使得同一所述顶点相邻的两个所述驱动质量块12之间可动连接。

所述驱动质量块12具有与所述第一镂空区域相对的第二镂空区域。所述第二电极组具有24个所述固定电极E；该24个所述固定电极E依次为第1固定电极E1-第24固定电极E24。第1固定电极E1-第8固定电极E8对称的设置在所述正方形区域的外部四周，该8个所述固定电极E均分为4组，该4组所述固定电极E分别设置在四个所述驱动质量块12的所述第二镂空区域内。第9固定电极E9-第16固定电极E16对称的设置在所述中心环状部分m1的外侧，且位于所述正方形区域内；该8个所述固定电极E均分为4组，该4组所述固定电极E分别设置在四个所述第二镂空区域内。第17固定电极E17-第24固定电极E24对称的设置在所述中心环状部分m1的外侧，且位于所述正方形区域内；该8个所述固定电极E均分为4组，该4组所述固定电极E分别设置在四个所述第一镂空区域内。

如图1a所示为三轴MEMS陀螺仪所述初始状态时的结构示意图。设定三维直角坐标系O-XYZ的坐标原点位于固定锚点A1中心。设定所述初始状态时，三维直角坐标系XYZ的坐标原点O位于可动部件PM的对称中心。

检测质量块M1的四个凸出部分m2分别位于四个坐标轴上；第1驱动质量块M2位于XY平面的第三象限，第2驱动质量块M3位于XY平面的第四象限，第3驱动质量块M4位于XY平面的第一象限，第4驱动质量块M5位于XY平面的第二象限。

第1驱动质量块M2分别通过第13弹簧梁B13以及第14弹簧梁B14和相邻的两个凸出部分m2可动连接，通过第5弹簧梁B5以及第6弹簧梁B6与中心环状部分m1可动连接。第1驱动质量块M2内的第二镂空区域内设置有第1固定电极E1和第5固定电极E5，与该第二镂空区域对应的第一镂空区域内设置有第9固定电极E9、第13固定电极E13、第17固定电极E17以及第18固定电极E18。

第2驱动质量块M3分别通过第15弹簧梁B15以及第16弹簧梁B16和相邻的两个凸出部分m2可动连接，通过第7弹簧梁B7以及第8弹簧梁B8与中心环状部分m1可动连接。第2驱动质量块M3内的第二镂空区域内设置有第2固定电极E2和第6固定电极E6，与该第二镂空区域对应的第一镂空区域内设置有第10固定电极E10、第14固定电极E14、第19固定电极E19以及第20固定电极E20。

第3驱动质量块M4分别通过第17弹簧梁B17以及第18弹簧梁B18和相邻的两个凸出部分m2可动连接，通过第9弹簧梁B9以及第10弹簧梁B10与中心环状部分m1可动连接。第3驱动质量块M4内的第二镂空区域内设置有第3固定电极E3和第7固定电极E7，与该第二镂空区域对应的第一镂空区域内设置有第11固定电极E11、第15固定电极E15、第21固定电极E21以及第22固定电极E22。

第4驱动质量块M5分别通过第19弹簧梁B19以及第20弹簧梁B20和相邻的两个凸出部分m2可动连接，通过第11弹簧梁B11以及第12弹簧梁B12与中心环状部分m1可动连接。第4驱动质量块M5内的第二镂空区域内设置有第4固定电极E4和第8固定电极E8，与该第二镂空区域对应的第一镂空区域内设置有第12固定电极E12、第16固定电极E16、第23固定电极E23以及第24固定电极E24。

第21弹簧梁B21将第1驱动质量块M2以及第2驱动质量块M3可动连接。第22弹簧梁B22将第2驱动质量块M3以及第3驱动质量块M4可动连接。第23弹簧梁B23将第3驱动质量块M4以及第4驱动质量块M5可动连接。第24弹簧梁B24将第1驱动质量块M2以及第4驱动质量块M5可动连接。

位于Y轴负轴的凸出部分m2下方设置有第25固定电极E25。X轴正轴的凸出部分m2下方设置有第26固定电极E26。位于Y轴正轴的凸出部分m2下方设置有第27固定电极E27。位于X轴负轴的凸出部分m2下方设置有第28固定电极E28。

本发明实施例所述三轴MEMS陀螺仪中，检测质量块M1、第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5通过弹簧梁B相互可动连接，组成了三轴MEMS陀螺仪的可动部件PM。相反的，所有的固定电极E均是固定不动的，并且该28个固定电极E分别和可动部件PM形成了28个电容。该28个电容可以分为10个电容组，分别为第一驱动电容组C_DR1、第二驱动电容组C_DR2、第一驱动检测电容组C_DS1、第二驱动检测电容组C_DS2、第一X轴检测电容组C_SX1、第二X轴检测电容组C_SX2、第一Y轴检测电容组C_SY1、第二Y轴检测电容组C_SY2、第一Z轴检测电容组C_SZ1以及第二Z轴检测电容组C_SZ2。

其中，第一驱动电容组C_DR1由固定电极E1、E2、E3、E4与驱动质量块M2～M5之间形成，第二驱动电容组C_DR2由固定电极E5、E6、E7、E8与驱动质量块M2～M5之间形成，第一驱动检测电容组C_DS1由固定电极E9、E10、E11、E12与驱动质量块M2～M5之间形成，第二驱动检测电容组C_DS2由固定电极E13、E14、E15、E16与驱动质量块M2～M5之间形成，第一X轴检测电容组C_SX1由固定电极E25与检测质量块M1之间形成，第二X轴检测电容组C_SX2由固定电极E27与检测质量块M1之间形成，第一Y轴检测电容组C_SY1由固定电极E28与检测质量块M1之间形成，第二Y轴检测电容组C_SY2由固定电极E26与检测质量块M1之间形成，第一Z轴检测电容组C_SZ1由固定电极E17、E19、E21、E23与检测质量块M1之间形成，第二Z轴检测电容组C_SZ2由固定电极E18、E20、E22、E24与检测质量块M1之间形成。

在图1a所示初始状态下，从结构上看，所述三轴MEMS陀螺仪在XY平面是中心对称的，可动部件PM只有一个固定锚点A1，位于对称中心。且检测质量块M1通过弹簧梁B1、B2、B3和B4连接到固定锚点A1上，形成了一个支架。在这个支架上分别连着四个驱动质量块M2、M3、M4和M5。其中，M2通过B5、B6、B13和B14连接到M1，M3通过B7、B8、B15和B16连接到M1，M4通过B9、B10、B17和B18连接到M1，M5通过B11、B12、B19和B20连接到M1。并且M2和M3通过B21相连，M3和M4通过B22相连，M4和M5通过B23相连，M5和M2通过B24相连。

下面，从驱动质量块运动、X轴检测、Y轴检测和Z轴检测四个部分分别解释本发明实施例所述三轴MEMS陀螺仪的工作原理。

参考图5，图5为图1a所示三轴MEMS陀螺仪驱动质量块运动的原理示意图。第1固定电极E1-第8固定电极E8用于输入驱动电压，使得驱动第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5做预设轨迹的往复运动，以便于进行角速度检测。

设定所述初始状态时，三维直角坐标系XYZ的坐标原点O位于可动部件的对称中心，所述三轴MEMS陀螺仪进行角速度检测时，首先需要驱动驱动质量块运动，所述第一驱动电容组C_DR1的两端与所述第二驱动电容组C_DR2的两端均用于施加方向相反的交变电压，即每个驱动电容组中的电容两极均施加方向相反的交变电压，使得第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5分别在XY平面的四个象限的角平分线做往复运动。

具体的，驱动质量块运动时，如图5中箭头所示，固定电极E1-E8与驱动质量块M2～M5形成的8个电容可以产生交变静电力，使得驱动质量块M2-M5在XY平面内，相对于X轴正向，分别沿225°、315°、45°以及135°方向上做往复运动。为了能够准确控制驱动质量块M2～M5的运动幅度，通过驱动检测电容组C_DS1和C_DS2来标定驱动质量块M2～M5的运动幅度，通过第9固定电极E9-第16固定电极E16检测驱动检测电容组C_DS1和C_DS2中相应的电容变化量控制驱动质量块M2～M5的运动幅度。

参考图6，图6为图1a所示三轴MEMS陀螺仪检测输入X轴的角速度的原理示意图，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入X轴的角速度时，X轴一侧的两个所述驱动质量块与另一侧的另外两个所述驱动质量块受到方向相反的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕X轴转动，基于所述第一电极中相应的所述固定电极与所述检测质量块M1的电容变化检测输入X轴的角速度。

具体的，如图6所示，当有X轴角速度输入时，第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5由于在Y轴方向上有运动分量，所以会受到沿Z轴的科里奥利力。且由于第1驱动质量块M2和第2驱动质量块M3在Y轴的运动分量与第3驱动质量块M4和第4驱动质量块M5在Y轴的运动分量的方向相反，所以第1驱动质量块M2和第2驱动质量块M3受到的科里奥利力与第3驱动质量块M4和第4驱动质量块M5受到的科里奥利力的方向相反，第1驱动质量块M2和第2驱动质量块M3受到的科里奥利力方向为Z轴负向，第3驱动质量块M4和第4驱动质量块M5受到的科里奥利力方向(⊙)为Z轴正向。这使得第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5带动检测质量块M1绕X轴转动。此时，检测质量块M1与第25固定电极E25构成的第一X轴检测电容组C_SX1，以及与固定电极E27构成的第二X轴检测电容组C_SX2也会产生大小相等且方向相反的变化。通过后续检测电路检测两个X轴检测电容组的电容变化的差值ΔC_SX1-ΔC_SX2，根据该差值即可反推得到输入X轴角速度的大小。ΔC_SX1为第一X轴检测电容组C_SX1的变化量。ΔC_SX2为第二X轴检测电容组C_SX2的变化量。

参考图7，图7为图1a所示三轴MEMS陀螺仪检测输入Y轴的角速度的原理示意图，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入Y轴的角速度时，Y轴一侧的两个所述驱动质量块与另一侧的另外两个所述驱动质量块受到方向相反的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕Y轴转动，基于所述第一电极中相应的所述固定电极与所述检测质量块M1的电容变化检测输入Y轴的角速度。

具体的，如图7所示，当有Y轴角速度输入角速度时，第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5由于在X轴方向上有运动分量，所以会受到沿Z轴的科里奥利力。且由于第1驱动质量块M2和第4驱动质量块M5在X轴的运动分量与第2驱动质量块M3和第3驱动质量块M4在X轴的运动分量的方向相反，所以第1驱动质量块M2和第4驱动质量块M5受到的科里奥利力与第2驱动质量块M3和第3驱动质量块M4受到的科里奥利力的方向相反，第1驱动质量块M2和第4驱动质量块M5受到的科里奥利力方向为Z轴负向，第2驱动质量块M3和第3驱动质量块M4受到的科里奥利力的方向(⊙)为Z轴正向。这使得第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5带动检测质量块M1绕Y轴转动。此时，检测质量块M1与第28固定电极E28构成的第一Y轴检测电容组C_SY1，以及与第26固定电极E26构成的第二Y轴检测电容组C_SY2也会产生大小相等且方向相反的变化。通过后续检测电路检测两个Y轴检测电容组的电容变化的差值ΔC_SY1-ΔC_SY2，根据该差值即可反推得到输入Y轴角速度的大小。ΔC_SY1为第一Y轴检测电容组C_SY1的变化量。ΔC_SY2为第二Y轴检测电容组C_SY2的变化量。

参考图8，图8为图1a所示三轴MEMS陀螺仪检测输入Z轴的角速度的原理示意图，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入Z轴的角速度时，四个所述驱动质量块在XY平面内受到与其各自往复运动方向垂直的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕Z轴转动，基于所述第二电极中相应的所述固定电极与所述检测质量块M1的电容变化检测输入Z轴的角速度。

具体的，如图8所示，当有Z轴角速度输入角速度时，第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5会在XY平面内受到与他们各自往复运动方向垂直的科里奥利力，如图8中箭头所示，第1驱动质量块M2收到与其运动方向225°垂直的135°方向的力，第2驱动质量块M3受到与其运动方向315°垂直的225°方向的力，第3驱动质量块M4受到与其运动方向45°垂直的315方向的力，第4驱动质量块M5受到与其运动方向135°垂直的45°方向的力。这样使得第1驱动质量块M2-第4驱动质量块M5会带动检测质量块M1绕Z轴转动。此时，检测质量块M1与固定电极E17、E19、E21、E23构成的第一Z轴检测电容组C_SZ1，以及与固定电极E18、E20、E22、E24构成的第二Z轴检测电容组C_SZ2会产生大小相等且方向相反的变化。通过后续检测电路检测两个Z轴检测电容组的电容变化的差值ΔC_SZ1-ΔC_SZ2，根据该差值即可反推得到输入Z轴角速度的大小。ΔC_SZ1为第一Z轴检测电容组C_SZ1的变化量。ΔC_SZ2为第二X轴检测电容组C_SZ2的变化量。

需要说明的是，本发明实施例中，所述中心对称图形均是在第一坐标轴方向的俯视图上为中心对称图形；所述对称设置为在第一坐标轴方向的俯视图上对称设置。

本发明实施例中，所述三轴MEMS陀螺仪具有4个驱动质量块、1个检测质量块、24个弹簧梁、28个固定电极和1个固定锚点。检测质量块、驱动质量块和固定锚点通过弹簧梁相连，形成可动部件。所有的固定电极和可动部件之间形成10组电容，用来驱动和检测。唯一的固定锚点在结构的正中心，所述三轴MEMS陀螺仪在Z轴的俯视图相对于这一锚点形成中心对称图形。在Z轴方向的俯视图上，质量块的图形结构、可动部件的图形结构以及固定电极的图形结构均具有平行于X轴的对称轴以及平行于Y轴的对称轴。

通过适当地连接驱动质量块，四个驱动质量块的驱动只需要一套驱动电容和一套驱动检测电容就可以实现三个轴驱动质量块的驱动。这与传统的分立质量的三轴陀螺仪相比，节省了两套驱动电容和两套驱动检测电容。节省了芯片面积，降低了成本。

整个可动部件只通过一个在结构中心的固定锚点固定在基底上，且所有固定电极和可动部件以固定锚点为中心形成了完美的上下、左右和旋转对称，使得外界应力对陀螺仪性能的影响大大降低。因为所有的驱动质量块是在XY平面内225°、315°、45°以及135°方向上运动的方向做斜运动，其在X轴和Y轴上都有运动分量，所以会同时对三个轴的角速度输入做出反映。这使得整体检测效率和面积利用率大大提高。

每个驱动质量块的驱动方向均是在XY平面内与X轴和Y轴同时成45度角的方向，即以X轴正轴为参考，四个驱动质量块分别在225°、315°、45°以及135°方向上运动。驱动质量块在驱动方向上运动时，检测质量块是静止不动的，即实现了驱动端到检测端的完美解耦。通过解耦结构的设计，使四个驱动质量块在驱动方向上运动时，检测质量块是静止不动的。所以在陀螺仪驱动时，如果没有角速度输入，与检测质量块相对的三个轴的检测电容不变。换句话说，这种结构设计大大降低了三轴陀螺仪的正交误差。

综上所述，本发明实施例提供的三轴MEMS陀螺仪具有如下优点：优化三轴陀螺仪的结构及其运动方式以提高检测效率；提高三轴陀螺仪的灵敏度；降低正交误差；减小外界应力对陀螺仪性能的影响；减小三轴陀螺仪的芯片面积。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，包括：

基板；

设置在所述基板上的可动部件，所述可动部件包括检测质量块以及多个驱动质量块；所述驱动质量块与所述检测质量块可动连接，且对称的设置在所述检测质量块四周；

设置在所述基板上的固定锚点，所述固定锚点位于所述检测质量块与所述基板之间，且与所述检测质量块可动连接；

设置在所述基板上的多个固定电极；所述多个固定电极分为第一电极组以及第二电极组，所述第一电极组以及所述第二电极组均具有多个所述固定电极；所述第一电极组中，所述固定电极位于所述基板表面，对称的设置在固定锚点的四周，且位于所述基板与所述检测质量块之间；所述第二电极组中，所述固定电极对称的设置在所述固定锚点的四周，且在初始状态下与所述可动部件同层设置；

其中，当进行角速度检测时，所述固定电极用于检测所述固定电极相与所述可动部件之间的电容变化，基于检测结果获取角速度信息；所述初始状态下，输入所述可动部件的角速度为零。

2.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述基板表面具有多个电极基座，所述电极基座与所述第二电极组中的所述固定电极一一对应，所述电极基座表面用于设置位于所述第二电极组的所述固定电极；

在Z轴的方向上，所述多个电极基座为中心对称图形，对称中心为所述固定锚点，Z轴垂直于所述基板。

3.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述可动部件为中心对称图形；

在所述初始状态下，所述固定锚点位于所述可动部件的对称中心。

4.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述检测质量块与所述固定锚点之间、所述检测质量块与所述驱动质量块之间以及相邻的所述驱动质量块之间均通过对应的弹簧梁可动连接。

5.根据权利要求4任一项所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述检测质量块位于一正方形区域内，所述正方形区域平行于所述基板，所述固定锚点位于所述正方形区域的中心；

所述检测质量块为中心对称图形；所述检测质量块包括：中心环状部分以及设置在所述中心环状部分***的四个凸出部分；所述凸出部分分别位于所述正方形区域的四个顶角；相邻两个所述凸出部分之间具有第一镂空区域。

6.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一电极组具有四个所述固定电极；

所述凸出部分正对的所述基板表面均设置有一个所述固定电极。

7.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述可动部件具有四个所述驱动质量块；四个所述驱动质量块依次为第1驱动质量块-第4驱动质量块；

所述正方形区域的每条边的外侧均设置有一个所述驱动质量块；

所述驱动质量块与相邻的两个所述凸出部分分别通过对应的所述弹簧梁可动连接，且所述驱动质量块利用与其相邻的两个所述凸出部分之间的所述第一镂空区域与所述中心环状部分通过对应的所述弹簧梁可动连接。

8.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪具有24个所述弹簧梁；24个所述弹簧梁依次为第1弹簧梁-第24弹簧梁；

第1弹簧梁-第4弹簧梁对称的设置在所述固定锚点四周，用于将所述中心环状部分的内侧与所述固定锚点可动连接；

第5弹簧梁-第12弹簧梁对称的设置在所述中心环状部分的外侧，且位于所述第一镂空区域内；该8个弹簧梁均分为4组，每一组中的两个所述弹簧梁用于将一个所述驱动质量块与所述中心环状部分可动连接；

第13弹簧梁-第20弹簧梁对称的设置在所述正方形区域的四周，该8个弹簧梁均分为4组，每一组中的两个所述弹簧梁用于使得一个所述驱动质量块分别与相邻的两个所述凸出部分可动连接；

第21弹簧梁-第24弹簧梁分别设置在所述正方形区域的四个顶点，该4个弹簧梁中，每一所述弹簧梁用于使得同一所述顶点相邻的两个所述驱动质量块之间可动连接。

9.根据权利要求5所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述驱动质量块具有与所述第一镂空区域相对的第二镂空区域；

所述第一电极组具有24个所述固定电极；24个所述固定电极依次为第1固定电极-第24固定电极；

第1固定电极-第8固定电极对称的设置在所述正方形区域外部的四周，该8个所述固定电极均分为4组，该4组所述固定电极分别设置在四个所述驱动质量块的所述第二镂空区域内；

第9固定电极-第16固定电极对称的设置在所述中心环状部分的外侧，且位于所述正方形区域内；该8个所述固定电极均分为4组，该4组所述固定电极分别设置在四个所述第二镂空区域内；

第17固定电极-第24固定电极对称的设置在所述中心环状部分的外侧，且位于所述正方形区域内；该8个所述固定电极均分为4组，该4组所述固定电极分别设置在四个所述第一镂空区域内。

10.根据权利要求9所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，第1驱动质量块-第4驱动质量块与第1固定电极-第4固定电极形成第一驱动电容组，与第5固定电极-第8固定电极形成第二驱动电容组；

设定三维直角坐标系XYZ的坐标原点O位于可动部件的对称中心，驱动所述三轴MEMS陀螺仪进行角速度检测时，所述第一驱动电容组的两端与所述第二驱动电容组的两端均用于施加方向相反的交变电压，使得第1驱动质量块-第4驱动质量块分别在XY平面的四个象限的角平分线做往复运动；其中，Z轴垂直于所述基板，X轴与Y轴所在平面XY平面平行于所述基板，四个驱动质量块分别位于XY平面的四个象限。

11.根据权利要求10所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入X轴的角速度时，X轴一侧的两个所述驱动质量块与另一侧的另外两个所述驱动质量块受到方向相反的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕X轴转动，基于所述第一电极组中相应的所述固定电极与所述检测质量块的电容变化检测输入X轴的角速度。

12.根据权利要求10所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入Y轴的角速度时，Y轴一侧的两个所述驱动质量块与另一侧的另外两个所述驱动质量块受到方向相反的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕Y轴转动，基于所述第一电极组中相应的所述固定电极与所述检测质量块的电容变化检测输入Y轴的角速度。

13.根据权利要求10所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺仪检测输入Z轴的角速度时，四个所述驱动质量块在XY平面内受到与其各自往复运动方向垂直的科里奥利力，使得四个所述驱动质量块绕Z轴转动，基于所述第二电极中相应的所述固定电极与所述检测质量块的电容变化检测输入Z轴的角速度。