CN109798886A - 一种陀螺仪结构 - Google Patents

Abstract

一种陀螺仪结构，包括：基板；固定于基板上的锚点；围绕锚点设置的悬空于基板上的多个质量块，包括：第一质量块、第二质量块、第三质量块和第四质量块，所述多个质量块分别通过弹性连接组件连接至锚点；所述第一质量块、第二质量块在第一方向上相对设置，用于使第一质量块与第二质量块在动力驱动下沿第一方向作平移往返运动；第三质量块、第四质量块在第二方向上相对设置，第一质量块、第二质量块与第三质量块、第四质量块之间通过耦合部件连接，用于在第一质量块、第二质量块在第一方向作平移往返运动时，带动第三质量块和第四质量块在第二方向作平移往返运动，第二方向垂直于第一方向且位于同一平面内。所述陀螺仪的准确性和灵敏度得到提高。

Description

一种陀螺仪结构

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种陀螺仪结构。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电***)陀螺仪利用科里奥利力(Coriolis force，又称为科氏力)现象。科氏力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。MEMS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。

MEMS陀螺仪包括驱动部分和检测部分，通过驱动和检测运动的耦合作用实现对运动角速度的测量。当陀螺处于驱动运动模态，并且在与驱动模态运动轴向垂直的第二方向有角速度输入时，由于哥氏效应陀螺仪在检测轴向产生检测模态运动，通过测量检测模态运动的位移，即可测定物体的转动角速度。所述测量检测模态运动的位移可以通过测量电容的变化来实现，例如，通过在谐振条件下确定由移动电极的运动所产生的电容的变化，来以电容方法来检测检测模态运动的位移，电容的检测可以通过叉指电极或者平板电极来实现。随着微机电陀螺技术的发展，高集成度、低成本的两轴或者三轴测量陀螺满足了现代消费电子产品的需求，成为微机电陀螺仪发展的趋势。

现有技术的陀螺仪的性能还有待进一步的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种陀螺仪结构，所述陀螺仪结构的性能进一步提高。

为了解决上述问题，本发明提供了一种陀螺仪结构，包括：基板；固定于所述基板上的锚点；围绕所述锚点设置的悬空于所述基板上的多个质量块，包括：第一质量块、第二质量块、第三质量块和第四质量块，所述多个质量块分别通过弹性连接组件连接至所述锚点；所述第一质量块、第二质量块在第一方向上相对设置，用于使所述第一质量块与第二质量块在动力驱动下沿第一方向作平移往返运动；所述第三质量块、第四质量块在第二方向上相对设置，且所述第一质量块、第二质量块分别与第三质量块、第四质量块之间通过耦合部件连接，用于在第一质量块、第二质量块在第一方向作平移往返运动时，带动所述第三质量块和第四质量块在第二方向作平移往返运动，所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向位于同一平面内。

可选的，所述耦合部件包括：L形连接件以及位于所述L形连接件两端分别连接至相邻质量块的弹性连接件。

可选的，所述L形连接件的两个部分分别沿第一方向和第二方向设置或者分别具有沿第一方向和第二方向的投影。

可选的，所述弹性连接组件包括：围绕锚点设置的矩形框架；位于所述矩形框架内部且连接所述矩形框架与锚点的柔性体；与所述矩形框架边缘固定连接的连接杆，所述连接杆延伸至质量块内部；位于所述质量块内部，且垂直连接于所述连接杆的横梁，所述横梁端部具有连接至质量块的第一弹簧梁。

可选的，所述横梁包括与所述连接杆垂直连接的第一子横梁，以及分别连接所述第一子横梁两端的第二子横梁，所述第一子横梁与第二子横梁之间通过第二弹性梁连接。

可选的，每个连接杆连接两个以上的横梁。

可选的，所述弹性组件具有三维旋转的自由度。

可选的，所述第一质量块和所述第二质量块在第二方向上的宽度随着与锚点之间距离变大而逐渐变大。

可选的，所述第三质量块和所述第四质量块在第一方向上的宽度随着与锚点之间距离变大而逐渐变大。

可选的，还包括：第一运动检测电极，所述第一运动检测电极设置于各个质量块远离所述锚点的***区域下方的基板表面。

可选的，还包括：第二运动检测电极组件，包括位于第三质量块和第四质量块上的第二运动检测移动电极，以及固定于基板的第二运动检测固定电极，所述第二运动检测移动电极与第二运动检测固定电极构成电容结构。

可选的，所述第二运动检测电极组件设置于所述第一运动检测电极组件与锚点之间。

可选的，还包括：驱动电极组件，所述驱动电极组包括：位于第一质量块和第二质量块上的驱动移动电极，和固定于所述基板上的驱动固定电极，所述驱动固定电极和所述驱动移动电极形成梳齿结构。

可选的，还包括：驱动检测电极组件，包括位于第三质量块和第四质量块上的驱动检测移动电极，以及固定于基板的驱动检测固定电极，所述驱动检测移动电极与驱动检测固定电极构成叉指电容结构。

本发明的陀螺仪结构包括位于中央的锚点以及围绕锚点对称设置的第一质量块、第二质量块以及第三质量块和第四质量块。由于仅具有一个锚点，因此所述陀螺仪对封装应力不敏感，避免陀螺仪受到外界的影响，能够提高陀螺仪的灵敏度和准确性。

进一步，所述陀螺仪结构对于x轴和y轴方向角速度的检测电极位于质量块的***，电容变化较大，有利于提高检测的灵敏度和准确性。

进一步，所述陀螺仪结构的驱动电极组件与传感电极组件之间相互独立，有利于设计方便。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的陀螺仪结构的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的陀螺仪结构的驱动电极组件的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式的陀螺仪结构的驱动检测电极组件的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的陀螺仪结构的第二运动检测电极组件的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式的陀螺仪结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的陀螺仪结构的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式的陀螺仪结构的结构示意图。

所述陀螺仪包括：基板(图中未示出)、固定于所述基板上的锚点10，围绕所述锚点设置的悬空于所述基板上的多个质量块，包括：第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13和第四质量块14，所述多个质量块分别通过弹性连接组件连接至所述锚点10；所述第一质量块11、第二质量块12在第一方向上相对设置，用于使所述第一质量块11与第二质量块12在动力驱动下沿第一方向作平移往返运动；所述第三质量块13、第四质量块14在第二方向上相对设置，且所述第一质量块11、第二质量块12分别与第三质量块14、第四质量块14之间通过耦合部件15连接，用于在第一质量块11、第二质量块12在第一方向作平移往返运动时，带动所述第三质量块13和第四质量块14在第二方向作平移往返运动，所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向位于同一平面内。

该具体实施方式中，所述第一方向对应于正交坐标系的y轴方向，第二方向对应于正交坐标系的x轴方向。

连接所述锚点10与各个质量块之间通过弹性连接组件连接，以限定各个质量块的运动位移范围。所述弹性连接组件包括：围绕锚点10设置的矩形框架101；位于所述矩形框架101内部且连接所述矩形框架101与锚点10的柔性体；与所述矩形框架101边缘固定连接的连接杆103，所述连接杆103延伸至各个质量块内部；位于所述质量块内部且垂直连接于所述连接杆103的横梁104，所述横梁104端部具有连接至质量块的第一弹簧梁1041。所述弹性连接组件具有三维旋转的自由度，可以绕x轴、y轴和z轴进行转动。

该具体实施方式中，所述矩形框架101为正方形，边长分别沿x方向和y方向设置。连接杆103分别固定至所述矩形框架101边长的中心位置处，为刚性连接。四个连接杆103形成沿x方向和沿y方向正交的十字框架结构。所述第一质量块11和第二质量块12连接至沿y方向延伸的连接杆，使得第一质量块11和第二质量块12沿y方向相对设置；所述第三质量块13和第四质量块14连接至沿x方向延伸的连接杆，使得第三质量块13和第四质量块14沿x方向相对设置。

所述连接杆103为刚性梁，用于支撑所述第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13和第四质量块14，使所述第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13和第四质量块14悬空。所述连接杆103通过垂直连接于所述连接杆103的横梁与质量块连接。该具体实施方式中，每个连接杆103连接两个平行排列的横梁104，所述横梁104关于连接杆103对称设置。通过两个横梁104与质量块连接，有利于稳定质量块的运动姿态，确保质量块在驱动状态下在平面内进行平动。在本发明的其他具体实施方式中，每个连接杆103也可以连接一个或三个以上的横梁104。

该具体实施方式中，所述横梁104包括与所述连接杆103垂直连接的第一子横梁104a，以及分别连接所述第一子横梁104a两端的两个第二子横梁104b，所述第一子横梁104a与第二子横梁104b之间通过第二弹性梁1042连接，所述第二子横梁104b的另一端通过第一弹性梁1041与质量块连接。所述第二弹性梁1042距离所述连接杆103一定距离，可以提高质量块的旋转刚度，提高旋转频率，有利于降低陀螺仪结构其它高阶模态的干扰。所述第一弹性梁1041和第二弹性梁1042可以为折叠梁、弹簧梁等具有一定伸展量的弹性梁结构，使得所述第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13以及第四质量块14可以在x、y、z三个方向上的一定范围内作谐振运动。

该具体实施方式中，所述第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13以及第四质量块14通过同样的方式与连接杆103连接，以使得结构对称；在另一具体实施方式中，所述第一质量块11、第二质量块13采用同样的连接方式，而第三质量块13、第四质量块14采用同样的连接方式，在同一方向上保持结构对称。

该具体实施方式中，所述柔性体包括围绕锚点10设置的环状的弹性悬梁102a以及位于弹性悬梁102a***的弹性悬梁102b，所述弹性悬梁102a与锚点10在x方向上连接，所述弹性悬梁102b与弹性悬梁102a在y方向上连接，所述弹性悬梁102b与矩形框架101在x方向上连接。所述柔性体能够吸收锚点10与连接杆103的应力，避免应力传递至质量块，影响陀螺仪检测的准确性。与单圈弹性悬梁相比，采用两个环形弹性悬梁在占用面积较小的情况下，不仅可以使得所述柔性体能够绕x、y、z旋转，而且对应力具有较好的吸收效果更好，使得各个质量块运动频率稳定，不收外界影响。在本发明的其他具体实施方式中，所述柔性体还可以包括一个或三个以上的环状弹性悬梁。

本发明的具体实施方式中，所述陀螺仪结构仅包括一个锚点10，且位于整个陀螺仪的中央，因此在封装过程中，受到封装应力影响较小，并且，锚点10的应力可以被通过锚点10与矩形框架101之间的柔性体吸收，对质量块影响较低。

该具体实施方式中，所述第一质量块11、第二质量块12连接至第三质量块13和第四质量块14的耦合部件15包括：L形连接件151以及位于所述L形连接件151两端分别连接至相邻质量块的弹性连接件152。以第一质量块11和第三质量块13为例，耦合部件15部分位于第一质量块11内、部分位于第三质量块13内，使得所述L形连接件151一端位于第一质量块11内，通过弹性连接件152连接第一质量块11，另一端位于第三质量块13内，通过弹性连接件152连接第三质量块13。具体的，所述L形连接件151包括两个部分，可以为两个悬梁连接而成，这两个部分分别沿y方向和x方向设置或者分别具有沿x方向和y方向的投影。例如，在一个具体实施方式中，所述L形连接件151的两个部分之间为直角，分别沿x方向和y方向设置。当第一质量块在y方向平移运动时，所述L形连接件151发生歪斜，位于第二质量块12内的一端向第三质量块13传递动能，使得第二质量块13在x方向上运动。例如，当第一质量块11沿y方向运动时，带动第三质量块13沿-x方向运动。该具体实施方式中，所述弹性连接件152为T形悬梁，在本发明的其他具体实施方式中，所述弹性连接件152还可以为折叠梁等其他弹性梁结构。

第一质量块11与第四质量块14通过相同的耦合部件15连接，连接第一质量块11、第三质量块13的耦合部件15与连接第一质量块11、第四质量块14的耦合部件15分别位于连接杆13两侧，对称分布。第二质量块12与第三质量块13、第四质量块14之间通过相同的方式连接，不再赘述。

因此，当第一质量块11向y方向运动，第二质量块12向-y方向运动时，带动第三质量块13向-x方向运动，第四质量块14向x方向运动。可以通过调整所述弹性连接件152的弹性系数等参数，调整第一质量块11、第二质量块12与第三质量块13、第四质量块14之间的运动频率之比，例如可以使第三质量块13、第四质量块14与第一质量块11、第二质量块12之间具有相同的运动频率。

所述第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13和第四质量块14可以具有多种形状，例如三角形、矩形、梯形、U形等。通常保持同一方向上的质量块具有相同的形状，彼此对称设置。

在该具体实施方式中，各个质量块整体轮廓为梯形，围绕锚点10设置，构成一轮廓为正方形的陀螺仪。所述第一质量块11和所述第二质量块12在x方向上的宽度随着与锚点10之间距离变大而逐渐变大；所述第三质量块13和所述第四质量块14在y方向上的宽度随着与锚点10之间距离变大而逐渐变大。当所述陀螺仪在检测状态时，在科氏力作用下，质量块发生移动，质量块远离锚点10的区域位移量大于靠近锚点10的区域的位移量。

所述陀螺仪还包括驱动电极组件20，位于第一质量块11和第二质量块12所在区域，用于驱动所述第一质量块11和第二质量块12沿y方向运动。第一质量块11和第二质量块12所在区域分别具有两组驱动电极组件20，在连接杆103两侧对称设置。

请参考图2，为所述驱动电极组件20的结构示意图。

所述驱动电极组件20包括：位于第一质量块11和第二质量块12上的驱动移动电极22、固定于所述基板上的驱动固定电极21。所述驱动移动电极22和驱动固定电极21均具有梳齿电极，两者形成梳齿结构，在所述驱动固定电极21和驱动移动电极22上施加合适的静电，可以使得所述驱动移动电极22远离或靠近所述驱动固定电极21，从而驱动所述第一质量块11和第二质量块12在y轴方向上以一定频率作震荡运动。

同时，所述第一质量块11和第二质量块12通过耦合部件15带动所述第三质量块13和第四质量块14在y方向上作震荡运动。

为了检测陀螺仪谐振下的运动频率和位移，所述陀螺仪还包括驱动检测电极组件30。所述驱动检测电极组件30位于第三质量块13和第四质量块14所在区域，用于检测所述第一质量块11和第二质量块12沿y方向运动，以及第三质量块13和第四质量块14沿x方向运动的频率和位移。第三质量块13和第四质量块14所在区域分别具有两组驱动检测电极组件30，在连接杆103两侧对称设置。所述驱动检测电极组件30也可以放置在第一质量块11和第二质量块12所在区域。

请参考图3，为所述驱动检测电极组件30的结构示意图。

所述驱动检测电极组30包括：位于第三质量块13和第四质量块14上的驱动检测移动电极32，以及固定于基板的驱动检测固定电极31，所述驱动检测移动电极32与驱动检测固定电极31有叉指形状的电极板，两者构成叉指电容结构。当第三质量块13和第四质量块14在x方向上运动时，所述驱动检测电极组30构成的叉指电容发生变化，从而对所述第一质量块11和第二质量块沿12在y方向以及第三质量块13和第四质量块14的在x方向上的运动频率和位移进行检测。

所述陀螺仪还包括第二运动检测电极40，设置于所述第三质量块13和第四质量块15区域，用于检测z轴方向的角速度。该具体实施方式中，所述第二运动检测电极40设置于连接第三质量块13、第四质量块14与连接杆103的两个横梁104之间。在本发明的其他具体实施方式中，所述第二运动检测电极40还可以设置于第三质量块13和第四质量块14区域的其他位置。

请参考图4，为所述第二运动检测电极40的结构示意图。

所述第二运动检测电极40包括：位于第三质量块13和第四质量块14上的第二运动检测移动电极42，以及固定于基板的第二运动检测固定电极41，所述第二运动检测移动电极42与第二运动检测固定电极41上具有叉指电极，两者构成平板电容结构。

当陀螺仪围绕z轴发生旋转时，由于第三质量块13和第四质量块14沿x轴运动，因此所述第三质量块13和第四质量块14会受到y轴方向的科氏力。导致所述第二运动检测电极40形成的平板电容大小发生变化，由此可以检测所述陀螺仪绕z轴发生旋转的角速度。

所述陀螺仪还包括第一运动检测电极，用于检测陀螺仪绕x轴和y轴旋转时的角速度。

请参考图5，为本发明一具体实施方式的陀螺仪的结构示意图。

所述陀螺仪还包括第一运动检测电极，所述第一运动检测电极包括位于第一质量块11和第二质量块12下方的基板上的第一运动检测电极50b，以及位于第三质量块13和第四质量块14下方的基板上的第一运动检测电极50a。所述第一运动检测电极50a和50b为平板电极，与所述第一质量块11、第二质量块12、第三质量块13以及第四质量块14之间构成平板电容。

当所述陀螺仪绕x轴发生旋转，由于第一质量块11、第二质量块12沿y轴方向运动，因此所述第一质量块11、第二质量块12会受到一个z轴方向的科氏力，使得第一质量块11、第二质量块12在z轴方向上发生位移，使得所述第一质量块11、第二质量块12与下方的第一运动检测电极50b之间的平板电容发生变化，从而可以通过所述第一运动检测电极50b获得陀螺仪绕x轴发生旋转的角速度检测信号。

同样，当所述陀螺仪绕y轴发生旋转，由于第三质量块13、第四质量块14沿x轴方向运动，因此所述第三质量块13、第四质量块14会受到一个z轴方向的科氏力，使得所述第三质量块13、第四质量块14与下方的第一运动检测电极50a之间的平板电容发生变化，从而可以通过所述第一运动检测电极50a获得陀螺仪绕x轴发生旋转的角速度检测信号。

电容变化越大，检测信号越明显，检测的准确度越高，为了获得较大的电容变化，该具体实施方式中，所述第一运动检测电极50a和第一运动检测电极50b均设置于各个质量块远离所述锚点10的***区域下方的基板表面，具体的，所述第一运动检测电极50a和第一运动检测电极50b位于第二运动检测电极40远离锚点10的外侧，当陀螺仪绕x轴或y轴发生旋转时，平板电容变化较大。

本发明的陀螺仪包括中央锚点10以及围绕锚点10对称设置的第一质量块11、第二质量块12以及第三质量块13和第四质量块15。由于仅具有一个锚点，因此所述陀螺仪对封装应力不敏感，避免陀螺仪受到外界的影响，能够提高陀螺仪的灵敏度和准确性。并且，所述陀螺仪对于x轴和y轴方向角速度的检测电极位于质量块的***，电容变化较大，有利于提高检测的灵敏度和准确性。而且，所述陀螺仪的驱动电极组件与传感电极组件之间相互独立，有利于设计方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种陀螺仪结构，其特征在于，包括：

基板；

固定于所述基板上的锚点；

围绕所述锚点设置的悬空于所述基板上的多个质量块，包括：第一质量块、第二质量块、第三质量块和第四质量块，所述多个质量块分别通过弹性连接组件连接至所述锚点；

所述第一质量块、第二质量块在第一方向上相对设置，用于使所述第一质量块与第二质量块在动力驱动下沿第一方向作平移往返运动；

所述第三质量块、第四质量块在第二方向上相对设置，且所述第一质量块、第二质量块分别与第三质量块、第四质量块之间通过耦合部件连接，用于在第一质量块、第二质量块在第一方向作平移往返运动时，带动所述第三质量块和第四质量块在第二方向作平移往返运动，所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向位于同一平面内。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述耦合部件包括：L形连接件以及位于所述L形连接件两端分别连接至相邻质量块的弹性连接件。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述L形连接件的两个部分分别沿第一方向和第二方向设置或者分别具有沿第一方向和第二方向的投影。

4.根据权利要求1所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述弹性连接组件包括：围绕锚点设置的矩形框架；位于所述矩形框架内部且连接所述矩形框架与锚点的柔性体；与所述矩形框架边缘固定连接的连接杆，所述连接杆延伸至质量块内部；位于所述质量块内部，且垂直连接于所述连接杆的横梁，所述横梁端部具有连接至质量块的第一弹簧梁。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述横梁包括与所述连接杆垂直连接的第一子横梁，以及分别连接所述第一子横梁两端的第二子横梁，所述第一子横梁与第二子横梁之间通过第二弹性梁连接。

6.根据权利要求4或5所述的陀螺仪结构，其特征在于，每个连接杆连接两个以上的横梁。

7.根据权利要求4所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述弹性组件具有三维旋转的自由度。

8.根据权利要求1所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述第一质量块和所述第二质量块在第二方向上的宽度随着与锚点之间距离变大而逐渐变大。

9.根据权利要求8所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述第三质量块和所述第四质量块在第一方向上的宽度随着与锚点之间距离变大而逐渐变大。

10.根据权利要求1或9所述的陀螺仪结构，其特征在于，还包括：第一运动检测电极，所述第一运动检测电极设置于各个质量块远离所述锚点的***区域下方的基板表面。

11.根据权利要求10所述的陀螺仪结构，其特征在于，还包括：第二运动检测电极组件，包括位于第三质量块和第四质量块上的第二运动检测移动电极，以及固定于基板的第二运动检测固定电极，所述第二运动检测移动电极与第二运动检测固定电极构成电容结构。

12.根据权利要求11所述的陀螺仪结构，其特征在于，所述第二运动检测电极组件设置于所述第一运动检测电极组件与锚点之间。

13.根据权利要求1所述的陀螺仪结构，其特征在于，还包括：驱动电极组件，所述驱动电极组包括：位于第一质量块和第二质量块上的驱动移动电极，和固定于所述基板上的驱动固定电极，所述驱动固定电极和所述驱动移动电极形成梳齿结构。

14.根据权利要求1所述的陀螺仪结构，其特征在于，还包括：驱动检测电极组件，包括位于第三质量块和第四质量块上的驱动检测移动电极，以及固定于基板的驱动检测固定电极，所述驱动检测移动电极与驱动检测固定电极构成叉指电容结构。