CN107782297B - 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，包括对称设置于X轴检测部两侧且位于X轴方向上的YZ轴检测部，并且两个所述YZ轴检测部与所述X轴检测部之间通过若干根连接梁相连。上述三轴MEMS陀螺仪，利用一套驱动部件便能够实现对于X轴、Y轴和Z轴的角速度检测，从而节省了陀螺仪的内部空间，降低了成本。

Description

一种三轴MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪技术领域，特别涉及一种三轴MEMS陀螺仪。

背景技术

随着各类消费电子产品逐渐向便携、轻便化发展，市场对体积更小的陀螺仪芯片的需求日益迫切。

针对目前市场已经知晓的MEMS技术，运用该技术已获得了诸如利用半导体材料制成的陀螺仪；目前我国面向此市场的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。

在现有技术中，三轴陀螺仪机械部分由三个独立的X、Y和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、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，导致最终陀螺仪芯片的体积较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种三轴MEMS陀螺仪，该三轴MEMS陀螺仪可以解决体积较大、成本较高问题。

为实现上述目的，本发明提供一种三轴MEMS陀螺仪，包括对称设置于X轴检测部两侧且位于X轴方向上的YZ轴检测部，并且两个所述YZ轴检测部与所述X轴检测部之间通过若干根连接梁相连。

相对于上述背景技术，本发明提供的三轴MEMS陀螺仪，主要包括一个X轴检测部和两个YZ轴检测部；其中，X轴检测部位于结构中心对称于Y轴上下分布，两个YZ轴检测部对称设置于X轴检测部的左右两侧；而本发明的核心在于利用若干根连接梁将一个X轴检测部与两个YZ轴检测部连接；即，利用连接梁将处于X轴检测部左侧的YZ轴检测部与X轴检测部连接，并且将处于X轴检测部右侧的YZ轴检测部与X轴检测部连接，从而实现当陀螺仪具有沿X轴、沿Y轴或者沿Z轴方向的旋转角速度时，X轴检测部以及两个YZ轴检测部能够产生相应的运动，以便检测X轴、Y轴或Z轴角速度的大小；采用如上设置方式，利用一套驱动部件便能够实现对于X轴、Y轴和Z轴的角速度检测，从而节省了陀螺仪的内部空间，降低了成本。

优选地，所述连接梁包括两根连接弹簧梁以及位于两根所述连接弹簧梁之间的连接刚性梁；两根所述连接弹簧梁分别连接于所述X轴检测部和所述YZ轴检测部。

优选地，所述连接刚性梁均匀分布于所述X轴检测部的外侧。

优选地，两根所述连接弹簧梁分别与所述X轴检测部和所述YZ轴检测部的凹槽相配合。

优选地，所述X轴检测部包括位于与所述X轴方向垂直的Y轴上对称设置且相互连接的第一质量块和第二质量块，所述第一质量块位于所述第二质量块的上方；位于所述X轴检测部左侧的第一YZ轴检测部包括第三质量块；位于所述X轴检测部右侧的第二YZ轴检测部包括第四质量块；所述第三质量块与所述第四质量块均通过两根所述连接梁分别与所述第一质量块和所述第二质量块相连。

优选地，两个所述YZ轴检测部、所述X轴检测部以及若干根所述连接梁分别以所述X轴检测部的水平中心线及竖直中心线为轴上下及左右对称。

优选地，还包括：

用以提供交变电压以实现上述四个质量块运动的驱动电容；

用以检测所述X轴角速度的X轴检测电容，

用以检测所述Y轴角速度的Y轴检测电容以及

用以检测所述Z轴角速度的Z轴检测电容。

优选地，还包括：

用以标定所述驱动电容的驱动幅度的驱动检测电容。

优选地，所述驱动电容以及所述X轴检测电容上下对称设置于所述X轴检测部；所述Y轴检测电容以及所述Z轴检测电容设置于两个所述YZ轴检测部。

优选地，所述驱动检测电容以左右对称设置于所述YZ轴检测部。

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1为本发明实施例所提供的三轴MEMS陀螺仪的结构示意图；

图2为图1中的三轴MEMS陀螺仪在驱动电容作用下的示意图；

图3为图1中的三轴MEMS陀螺仪对X轴进行检测时的示意图；

图4为图1中的三轴MEMS陀螺仪对Y轴进行检测时的示意图；

图5为图1中的三轴MEMS陀螺仪对Z轴进行检测时的示意图。

其中：

1-X轴检测部、21-第一YZ轴检测部、22-第二YZ轴检测部、3-连接弹簧梁、31～328-第一弹簧梁～第二十八弹簧梁、4-连接刚性梁、41-中部刚性梁、42-外部刚性梁、10-第一质量块、20-第二质量块、30-第三质量块、40-第四质量块、91-第一锚点、92-第二锚点、93-第三锚点、94-第四锚点、95-第五锚点、96-第六锚点、97-第七锚点、98-第八锚点、51～514-第一电极～第十四电极。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图5，图1为本发明实施例所提供的三轴MEMS陀螺仪的结构示意图；图2为图1中的三轴MEMS陀螺仪在驱动电容作用下的示意图；图3为图1中的三轴MEMS陀螺仪对X轴进行检测时的示意图；图4为图1中的三轴MEMS陀螺仪对Y轴进行检测时的示意图；图5为图1中的三轴MEMS陀螺仪对Z轴进行检测时的示意图。

本发明提供的三轴MEMS陀螺仪，包括一个X轴检测部1和两个YZ轴检测部；本发明将沿X轴检测部1左右两侧的方向定义为X轴方向，两个YZ轴检测部位于X轴方向，且两个YZ轴检测部分别位于X轴检测部1的左右两侧。

如说明书附图1所示，可以将X轴检测部1左侧的YZ轴检测部定义为第一YZ轴检测部21，第二YZ轴检测部22位于X轴检测部1的右侧；并且第一YZ轴检测部21与第二YZ轴检测部22对称设置于X轴检测部1的两侧。

第一YZ轴检测部21与第二YZ轴检测部22的形状构造完全相同，并且第一YZ轴检测部21与X轴检测部1之间以及第二YZ轴检测部22与X轴检测部1之间通过若干根连接梁相连。

在连接梁的作用下，第一YZ轴检测部21、第二YZ轴检测部22以及X轴检测部1相互连接，只要上述三个陀螺仪中的任意一个受到扰动时，则其他两个便能够随之运动，以实现对于X轴、Y轴以及Z轴角速度检测的功能。

针对连接梁的具体形状，本发明给出了一种优选方式；连接梁主要包括两根连接弹簧梁3和一根连接刚性梁4，连接刚性梁4位于两根连接弹簧梁3之间，并且两根连接弹簧梁3分别连接X轴检测部和YZ轴检测部，如说明书附图1所示。

对于第一YZ轴检测部21与X轴检测部1的连接方式，第一YZ轴检测部21与X轴检测部1之间通过连接梁连接，而连接梁的两根连接弹簧梁3分别固定于第一YZ轴检测部21和X轴检测部1，连接刚性梁4处于悬空状态。与之类似地，第二YZ轴检测部22与X轴检测部1之间通过连接梁连接的情形类似，此处将不再赘述。

如说明书附图1所示，本发明优选将连接刚性梁4均匀分布于X轴检测部1的外侧；连接刚性梁4以X轴检测部1的水平中心线及竖直中心线为轴上下及左右对称；即，以X轴检测部1的水平中心线为轴时，第二十一弹簧梁321和第二十三弹簧梁323位于水平中心线之上，第二十二弹簧梁322和第二十四弹簧梁324位于水平中心线之下，以X轴检测部1的竖直中心线为轴时，321和322位于竖直中心线之左，323和324位于竖直中心线之右，采用如此设置，使得若干根连接刚性梁4对称分布于X轴检测部1，有助于提高三轴MEMS陀螺仪的检测精度。

针对连接弹簧梁3与X轴检测部1和YZ轴检测部的设置方式，本发明在X轴检测部1和YZ轴检测部中设置凹槽，该凹槽能够供连接弹簧梁3伸入其中并与之相连，并且凹槽以及与之配合的连接弹簧梁3同样以X轴检测部1的水平中心线及竖直中心线为轴上下及左右对称，实现三轴MEMS陀螺仪的上下以及左右对称。

本发明将两个YZ轴检测部21与X轴检测部1的质量块给出如下实施例；X轴检测部1包括位于Y轴上的第一质量块10和第二质量块20，第一质量块10和第二质量块20相互连接，且第一质量块10位于第二质量块20的上方；位于X轴检测部1左侧的第一YZ轴检测部21包括第三质量块30；位于X轴检测部1右侧的第二YZ轴检测部22包括第四质量块40；并且第三质量块30与第四质量块40均通过两根连接梁分别与第一质量块10和所述第二质量块20相连，如说明书附图1所示。

在第一YZ轴检测部21与X轴检测部1之间以及第二YZ轴检测部22与X轴检测部1之间具有间隙；第三质量块30与第一质量块10之间的间隙内设置第一锚点91，并且第一锚点91连接第九弹簧梁309，第九弹簧梁309还与该侧的连接刚性梁4连接；与之类似的，第三质量块30与第二质量块20之间的间隙内设置第二锚点92，并且第二锚点92连接第十弹簧梁310，第十弹簧梁310还与该侧的连接刚性梁4连接。第四质量块40与第一质量块10之间的间隙内设置第三锚点93，并且第三锚点93连接第十一弹簧梁311，第十一弹簧梁311还与该侧的连接刚性梁4连接；第四质量块40与第二质量块20之间的间隙内设置第四锚点94，并且第四锚点94连接第十二弹簧梁312，第十二弹簧梁312还与该侧的连接刚性梁4连接。

如说明书附图1所示，本发明的三轴MEMS陀螺仪共包括4个质量块，并且两个YZ轴检测部与X轴检测部1呈左右对称以及上下对称设置。三轴MEMS陀螺仪共设置6根刚性梁，分别是中部刚性梁41、外部刚性梁42以及四根连接刚性梁4。中部刚性梁41位于三轴MEMS陀螺仪的中心位置，其可以设置为如说明书附图1所示的H形，并且上下左右对称设置；中部刚性梁41的四端分别连接有第十三弹簧梁313、第十四弹簧梁314、第十五弹簧梁315和第十六弹簧梁316，并且第十三弹簧梁313与第十五弹簧梁315连接于第一质量块10，第十四弹簧梁314和第十六弹簧梁316连接于第二质量块20，从而实现第一质量块10与第二质量块20的相连；除此之外，第一质量块10与第二质量块20之间还设置第二十一弹簧梁321、第二十二弹簧梁322、第二十三弹簧梁323和第二十四弹簧梁324。

外部刚性梁42设置于最外侧，可以设置为矩形，其分别与第一弹簧梁31、第二弹簧梁32、第三弹簧梁33、第四弹簧梁34、第二十七弹簧梁327以及第二十八弹簧梁328相连，从而形成三轴MEMS陀螺仪的外框。

位于H形中部刚性梁41的水平中心线的左右两侧还可以设置第五锚点95和第六锚点96，第五锚点95通过第二十五弹簧梁325与中部刚性梁41连接，第六锚点96通过第二十六弹簧梁326与中部刚性梁41连接。与外部刚性梁42的上下两侧连接，且位于H形中部刚性梁41的上下两侧还对称设置第七锚点97和第八锚点98，第七锚点97通过第二十七弹簧梁327与外部刚性梁42连接，第八锚点98通过第二十八弹簧梁328与外部刚性梁42连接。

位于外部刚性梁42的左右两侧框架内，分别设置如附图1所示的第一弹簧梁31、第二弹簧梁32、第三弹簧梁33和第四弹簧梁34；其中，第一弹簧梁31和第二弹簧梁32分别连接于第三质量块30的上下两侧；第三弹簧梁33和第四弹簧梁34分别连接于第四质量块40的上下两侧，并且外部刚性梁42与第一质量块10、第二质量块20、第三质量块30和第四质量块40之间均具有一定的距离。

本发明的三轴MEMS陀螺仪设置二十根弹簧梁，分别是第一弹簧梁31、第二弹簧梁32、第三弹簧梁33、第四弹簧梁34、第九弹簧梁39、第十弹簧梁310、第十一弹簧梁311、第十二弹簧梁312、第十三弹簧梁313、第十四弹簧梁314、第十五弹簧梁315、第十六弹簧梁316、第二十一弹簧梁321、第二十二弹簧梁322、第二十三弹簧梁323、第二十四弹簧梁324、第二十五弹簧梁325、第二十六弹簧梁326、第二十七弹簧梁327、第二十八弹簧梁328以及8根连接弹簧梁3。

本发明的三轴MEMS陀螺仪还设置8个锚点；第一锚点91、第二锚点92、第三锚点93、第四锚点94、第五锚点95、第六锚点96、第七锚点97和第八锚点98。

需要说明的是，通过说明书附图1所示的设置方式，本领域技术人员能够知晓本发明三轴MEMS陀螺仪形状构造，因此本文针对上述二十八根弹簧梁、以及8个锚点的设置方式不再赘述。当然，为了确保本发明三轴MEMS陀螺仪的正常运行，上述各部件还可以采用如附图1之外的其他方式设置。

本发明优选采用说明书附图1所示的三轴MEMS陀螺仪，可以看出，YZ轴检测部、X轴检测部1以及若干根连接梁分别以X轴检测部1的水平中心线及竖直中心线为轴上下及左右对称，这样一来，实现了三轴MEMS陀螺仪结构上的对称，有助于提高其使用性能。

本发明的三轴MEMS陀螺仪还包括驱动电容、X轴检测电容、Y轴检测电容以及Z轴检测电容，如说明书附图1所示。

本发明中，全部电容均由可动部和检测部构成；其中，驱动电容(包括第一驱动电容与第二驱动电容)、驱动检测电容(包括第一驱动检测电容与第二驱动检测电容)以及Z轴检测电容(包括第一Z轴检测电容与第二Z轴检测电容)的可动部和检测部以及上述四个质量块位于同一平面，由同一层材料构成。

X轴检测电容(包括第一X轴检测电容与第二X轴检测电容)与Y轴检测电容(包括第一Y轴检测电容与第二Y轴检测电容)的可动部由上述四个质量块构成，而检测部由位于与上述四个质量块所处的材料层相距1-3um的另一层材料图形化后形成。

三轴MEMS陀螺仪一共包括14个电极，分别从51～514；全部电极固定不动的，并且与上述陀螺仪的可动部件之间形成了14个电容。该14个电容可分为10组，分别为第一驱动电容和第二驱动电容，第一驱动检测电容和第二驱动检测电容，第一X轴检测电容和第二X轴检测电容，第一Y轴检测电容，第二Y轴检测电容，第一Z轴检测电容，第二Z轴检测电容。上文提及的4个质量块、全部连接刚性梁、中部刚性梁41、外部刚性梁42、全部连接弹簧梁、全部弹簧梁以及全部锚点，在整体上形成了三轴MEMS陀螺仪的可动部件。

其中第一驱动电容由第七电极57、第八电极58与可动部件之间形成；第二驱动电容由第九电极59、第十电极510与可动部件之间形成。

第一驱动检测电容由第五电极55与可动部件之间形成；第二驱动检测电容由第六电极56与可动部件之间形成。

第一X轴检测电容由第十一电极511与可动部件之间形成；第二X轴检测电容由第十二电极512与可动部件之间形成。

第一Y轴检测电容由第十三电极513与可动部件之间形成；第一Y轴检测电容由第十四电极514与可动部件之间形成。

第一Z轴检测电容由第一电极51、第四电极54与可动部件之间形成；第一Z轴检测电容由第二电极52、第三电极53与可动部件之间形成。

如说明书附图1所示，驱动电容以及X轴检测电容上下对称设置于X轴检测部；Y轴检测电容以及Z轴检测电容设置于两个YZ轴检测部。并且驱动检测电容还可以以左右对称设置于YZ轴检测部。

如说明书附图2所示，三轴MEMS陀螺仪受到驱动电容的驱动时，在第一驱动电容和第二驱动电容的两端施加方向相反的交变电压时，会产生交变静电力，使得第一质量块10和第二质量块20会沿Y轴做往复运动。同时，因为第三质量块30和第四质量块40通过连接梁分别与第一质量块10和第二质量块20相连，因此其会把其运动传递过去，导致第三质量块30和第四质量块40沿着X轴做往复运动。本发明为了能够准确地控制驱动幅度，结构上还需要第一驱动检测电容和第而驱动检测电容来标定驱动的幅度。

当三轴MEMS陀螺仪对X轴进行检测时，如说明书附图3所示；当有X轴角速度输入时，沿Y轴做往复运动的第一质量块10、第二质量块20会受到沿Z轴方向的科里奥利力；因而使得第一质量块10、第二质量块20沿Z轴做往复运动，实现第一X轴检测电容与第二X轴检测电容的周期变化，并可以通过后续电路检测这两个电容的变化，可以获得输入X轴角速度的大小。

当三轴MEMS陀螺仪对Y轴进行检测时，如说明书附图4所示；当有Y轴角速度输入时，沿X轴做往复运动的质量块第三质量块30和第四质量块40会受到沿Z轴方向的科里奥利力，使得质量块第三质量块30和第四质量块40会沿Z轴做往复运动，实现与之对应的第一Y轴检测电容和第二Y轴检测电容也会产生周期变化，并可以由后续电路检测这两个电容的变化，得知输入Y轴角速度的大小。

当三轴MEMS陀螺仪对Z轴进行检测时，如说明书附图5所示；当有Z轴角速度输入时，沿X轴做往复运动的质量块第三质量块30和第四质量块40会受到沿Y轴方向的科里奥利力，使得质量块第三质量块30和第四质量块40会沿Y轴做往复运动，实现与之对应的第一Z轴检测电容和第二Z轴检测电容也会产生周期变化，并可以由后续电路检测这两个电容的变化，得知输入Z轴角速度的大小。

本发明提供的三轴MEMS陀螺仪，通过把两个轴的质量块连接起来，使得只需要一套驱动电容(第一驱动电容和第二驱动电容)和一套驱动检测电容(第一驱动检测电容和第二驱动检测电容)就可以实现两个轴的驱动。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。本发明的三轴MEMS陀螺仪共享X轴和Z轴的检测质量块，提高了质量的利用效率，提高了灵敏度，因而节省了陀螺仪的面积，降低了成本。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的三轴MEMS陀螺仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，包括对称设置于X轴检测部两侧且位于X轴方向上的YZ轴检测部，并且两个所述YZ轴检测部与所述X轴检测部之间通过若干根连接梁相连；

所述连接梁包括两根连接弹簧梁以及位于两根所述连接弹簧梁之间的连接刚性梁；两根所述连接弹簧梁分别连接于所述X轴检测部和所述YZ轴检测部；

所述X轴检测部包括位于与所述X轴方向垂直的Y轴上对称设置且相互连接的第一质量块和第二质量块，所述第一质量块位于所述第二质量块的上方；位于所述X轴检测部左侧的第一YZ轴检测部包括第三质量块；位于所述X轴检测部右侧的第二YZ轴检测部包括第四质量块；所述第三质量块与所述第四质量块均通过两根所述连接梁分别与所述第一质量块和所述第二质量块相连；

还包括：

用以提供交变电压以实现上述四个质量块运动的驱动电容；

用以检测X轴角速度的X轴检测电容，

用以检测Y轴角速度的Y轴检测电容以及

用以检测Z轴角速度的Z轴检测电容；

用以标定所述驱动电容的驱动幅度的驱动检测电容，所述驱动电容以及所述X轴检测电容上下对称设置于所述X轴检测部；所述Y轴检测电容以及所述Z轴检测电容设置于两个所述YZ轴检测部，所述驱动检测电容以左右对称设置于所述YZ轴检测部。

2.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述连接刚性梁均匀分布于所述X轴检测部的外侧。

3.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，两根所述连接弹簧梁分别与所述X轴检测部和所述YZ轴检测部的凹槽相配合。

4.根据权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，两个所述YZ轴检测部、所述X轴检测部以及若干根所述连接梁分别以所述X轴检测部的水平中心线及竖直中心线为轴上下及左右对称。