CN111024057B - 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，包括基底，第一检测部，用于检测绕X方向的角速度；第二检测部和第三检测部，对称设置在第一检测部的两侧，分别和第一检测部相连，并被设置为能够提供方向相反的驱动力，以及能用于检测绕Y方向和绕Z方向的角速度；其中，X方向垂直于Y方向，Z方向垂直于X方向和Y方向；悬挂装置，设置在第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，悬挂装置和第二检测部及第三检测部相连，并和支撑装置相连，实现悬挂装置的悬挂；和支撑装置，固定设置在基底上。本发明的三轴MEMS陀螺仪结构简单、紧凑、输出信号强。

Description

一种三轴MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及MEMS传感器领域，尤其涉及一种MEMS陀螺仪。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems，微机电***)技术是由传统半导体加工技术发展而来，利用半导体加工方式实现微机械结构、***的制作，以实现特定的功能，其最小典型尺寸一般为微米级。MEMS技术的应用使得相关器件易于批量化生产，成本大幅降低，市场应用得以普及，同时也降低了功耗，提高了可靠性，进而又进一步推动了MEMS技术的发展。与传统半导体加工方式不同，MEMS加工过程有可能会用到深硅刻蚀，例如刻蚀深度可能会达到100-300um，需要对垂直度有精确的控制。很多MEMS器件还需要真空键合技术，以提高Q值，及对内部结构进行保护，例如MEMS陀螺仪和MEMS振荡器。MEMS材料也是多种多样，有可能会形成金属离子或颗粒污染，部分工序需要单独隔离。由于具有可动结构，应力问题是MEMS器件的最大问题，预防与解决应力问题贯穿了MEMS器件设计、加工、封测、应用的整个流程。

MEMS陀螺仪的用途非常广泛，包括惯性导航、光学防抖、环景照相、车身稳定与安全等。通常讲的MEMS陀螺仪是用来检测角速度的，属于角速度传感器，其核心是哥氏力原理，把输入角速度转换成一个特定感测结构的位移，通过检测该位移来确定角速度的大小。MEMS陀螺仪属于主动器件，通电后***在谐振点做简谐振动，当与质量块运动方向垂直的方向上有角速度输入时，在质量块运动方向和输入角速度方向垂直的方向会产生哥氏力，通过检测结构及***处理电路即可获得相应的角速度的表征量。目前应用最为广泛的驱动方式为静电和压电，检测方式为电容和压电。消费类市场是MEMS陀螺仪的最大应用市场，对产品价格、性能要求也比较苛刻，领域内一直致力于开发低成本、高性能、高可靠性的MEMS陀螺仪产品，特别是三轴MEMS陀螺仪，进一步与三轴加速计集成形成六轴IMU。

发明内容

有鉴于市场需求，及一些技术共性问题，本发明旨在提供一种结构紧凑、低成本、减弱或消除双倍频、输出信号强的三轴MEMS陀螺仪。本发明也可以只解决上述问题中的一个或多个。

为实现上述目的，本发明提供了一种三轴MEMS陀螺仪。在一个具体实施方式中，该三轴MEMS陀螺仪，包括

基底，

第一检测部，用于检测绕X方向的角速度；

第二检测部和第三检测部，对称设置在第一检测部的两侧，分别和第一检测部相连，并被设置为能够提供方向相反的驱动力，以及能用于检测绕Y方向和绕Z方向的角速度；其中，X方向垂直于Y方向，Z方向垂直于X方向和Y方向；

悬挂装置，设置在第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，悬挂装置和第二检测部及第三检测部相连，实现第二检测部和第三检测部的悬挂，悬挂装置和支撑装置相连，实现悬挂装置的悬挂；和

支撑装置，固定设置在基底上。

进一步地，第二检测部和第三检测部分别通过第一弹簧和第二弹簧与第一检测部连接，第一弹簧和第二弹簧能够将第二检测部和第三检测部的驱动力传递到第一检测部。

进一步地，第一检测部包括：

第一质量块，第一质量块通过一组连接梁连接到固定在基底上的一组锚点上，连接梁使得第一质量块能绕结构中心发生XY平面内的的旋转，以及发生靠近或远离基底的转动，该转动以该组连接梁为轴心；和

第一检测装置组，是由设置在基底上的电极和第一质量块组成的电容组。

进一步地，第一质量块的中间具有孔，所述一组连接梁设置在第一质量块的孔中；所述一组连接梁包括：沿X方向设置的第一连接梁，和沿Y方向设置在第一连接梁两侧、并与第一连接梁相连的第二连接梁和第三连接梁，通过第二连接梁和第三连接梁实现第一质量块相对基底的悬浮。

进一步地，第二检测部包括：

第一框架；

第二质量块，设置在第一框架内部，通过至少两组弹簧和第一框架连接，所述至少两组弹簧在Y方向具有自由度；

至少一个第一驱动装置，设置在第二质量块内部；

第二检测装置组，设置在第二质量块内部；

第三检测部包括：

第二框架；

第三质量块，设置在第二框架内部，通过至少两组弹簧和第二框架连接，至少两组弹簧在Y方向具有自由度；

至少一个第二驱动装置，设置在第三质量块内部；

第三检测装置组，设置在第三质量块内部；

其中，所述至少一个第一驱动装置和所述至少一个第二驱动装置的驱动方向相反。

进一步地，第一驱动装置包括：第一驱动结构，用于驱动第二检测部运动；和第一驱动检测结构，用于检测第一驱动结构的驱动幅度；第二驱动装置包括：第二驱动结构，用于驱动第三检测部运动；和第二驱动检测结构，用于检测第二驱动结构的驱动幅度；或者第一驱动装置和第二驱动装置都只包括一组可动梳齿组和固定梳齿组，通过分时复用的方式实现驱动和驱动检测；

第二检测装置组和第三检测装置组都包括：

用以检测绕Y方向的角速度的Y方向检测电容组，由设置在基底上的电极和第二质量块及第三质量块组成，或由设置在基底上的梳齿组和设置在第二质量块及第三质量块上的梳齿组组成；和

用以检测绕Z方向的角速度的Z方向检测电容组，由设置在第二质量块及第三质量块上的可动梳齿组和连接到锚点上的固定梳齿组组成，

可选地，Z方向检测电容组设置在第二质量块及第三质量块的中间或大致中间位置，两个Y方向检测电容组对称设置在Z方向检测电容组两侧。

进一步地，第一框架通过至少两组弹簧连接到悬挂装置上；第二框架通过至少两组弹簧连接到悬挂装置上；所述至少两组弹簧在X方向上具有自由度。

在一种实施方式中，支撑装置为支撑框架，支撑框架通过锚点固定在基底上，并相对于基底不能发生移动；

悬挂装置包括第一悬挂臂和第二悬挂臂，第一悬挂臂通过第一支撑梁连接到支撑框架上，第二悬挂臂通过第二支撑梁连接到支撑框架上，从而实现悬挂装置的悬挂；可选地，第一支撑梁和第二支撑梁分别连接到第一悬挂臂和第二悬挂臂的中间。

进一步地，第一悬挂臂的两端分别通过弹簧与支撑框架相连；第二悬挂臂的两端分别通过弹簧与支撑框架相连。第一悬挂臂和第二悬挂臂两端通过弹簧和支撑框架相连，可以避免驱动时悬挂装置产生扭动造成的Y方向位移，从而减弱Z轴双倍频问题。

在一种实施方式中，支撑结构为固定在基底上的第一支撑锚点和第二支撑锚点；

悬挂装置包括悬挂框架，悬挂框架通过第一支撑梁和第二支撑梁分别与第一支撑锚点和第二支撑锚点相连。

可选地，驱动及检测方式为静电、压电、压阻、磁、热中的一种或多种。

本发明的三轴MEMS陀螺仪具有如下优势：

1)用于检测绕Y方向和绕Z方向的角速度的质量块共享，相对于各轴分离的质量块方式，共享后质量块的质量增大，因此其运动带来的输出信号强，提高了陀螺仪的信号质量，同时可降低噪声；

2)驱动装置的可动梳齿组和第二质量块及第三质量块相连，由此增大了第二质量块和第三质量块的质量，由此增加了输出信号的质量，同时可降低噪声；

3)在支撑装置为支撑框架的情况中，位于支撑框架内侧的第一悬挂臂和第二悬挂臂除了通过连接在悬挂臂中间的支撑梁和支撑框架相连，还通过连接在悬挂臂两端的弹簧和支撑框架相连，由此在驱动时避免产生悬挂装置的扭动，减少或避免Y方向位移，从而减弱或防止Z轴双倍频问题；

4)在支撑装置是支撑锚点的情况中，减少了锚点数量，而且第一支撑锚点和第二支撑锚点集中在一个轴线上，降低了应力敏感度；

5)由于使用了如前所述的整体结构布局，因此本发明的MEMS陀螺仪结构紧凑、整体面积小、生产成本较低。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例1中的三轴MEMS陀螺仪的结构示意图；

图2是图1中的三轴MEMS陀螺仪的结构示意图；

图3是图2中的三轴MEMS陀螺仪的第一检测部的部分结构放大图；

图4是图2中的三轴MEMS陀螺仪的第二检测部的Z方向检测电容组的放大图；

图5是本发明实施例2中的三轴MEMS陀螺仪的结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

应该理解的是，本文中，“连接”可以指两个部件直接连接，也可以指两个部件通过第三个部件的间接连接。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列出的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

本文中，“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

在本文中，第一检测装置组也称为X方向检测电容组。Z+为朝向纸面外的方向，Z-为朝向纸面内的方向；Y+为往上，Y-为往下。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例的三轴MEMS陀螺仪的结构呈中心对称，包括基底(图中未示出)，第一检测部10、第二检测部11、第三检测部12、悬挂装置13和支撑装置14。

第一检测部10包括第一质量块101和第一检测装置组。其中，第一检测装置组能用于检测绕X方向的角速度，其包括由设置在基底上的第一电极105和第二电极106与第一质量块101组成的两个X方向电容组。第一质量块101为长方形构型，其长边沿X方向延伸。第一电极105和第二电极106设置在第一质量块101长度方向上的两端部所对应的基底上。

在另一些实施例中，第一质量块101还可以是其他的构型，比如正方形。

如图3所示，第一质量块101中间设置一孔，该孔内设置有一组连接梁，并且固定在基底上的第一锚点组和第二锚点组也对应该孔。第一质量块101通过这组连接梁固定至第一锚点组和第二锚点组上，使得第一质量块101相对于基底悬浮且可动。这一组连接梁包括沿X方向设置的第一连接梁102，沿Y方向设置且正交于第一连接梁102的第二连接梁103及第三连接梁104。第二连接梁103和第三连接梁104位于第一连接梁103的两侧，第二连接梁103连接到第一锚点组上(具体地，连接到第一锚点161和第二锚点162之间的连接梁上)，第三连接梁104连接到第二锚点组上(具体地，连接到第三锚点163和第四锚点164之间的连接梁上)。

继续参考图1和图2，第二检测部11和第三检测部12对称设置在第一检测部10沿Y方向的两侧，并分别和第一检测部10相连。

第二检测部11包括设置在***的第一框架112、设置在第一框架112内侧的第二质量块111、设置在第二质量块111内部的两个第一驱动装置113和114、以及第二检测装置组。第二质量块111通过连接在四个角或四个角附近的弹簧连接到第一框架112上，这四个弹簧具有Y方向的自由度，在本实施例中，这四个弹簧是U型弹簧。

两个第一驱动装置113和114沿X方向对称设置在第二质量块111上，用于驱动第二质量块沿X方向的运动。每一个第一驱动装置都包括一个第一驱动结构和一个第一驱动检测结构，第一驱动结构提供驱动力，第一驱动检测结构用于检测第一驱动结构的驱动幅度。第一驱动结构包括第一驱动可动梳齿组和第一驱动固定梳齿组，第一驱动检测结构包括第一驱动检测可动梳齿组和第一驱动检测固定梳齿组，固定梳齿组固定在锚点上，可动梳齿组固定设置在第二质量块111上。第一驱动固定梳齿组和第一驱动检测固定梳齿组相背设置。在一些实施例中，每一个第一驱动装置只包括一组固定梳齿组和一组可动梳齿组，通过分时复用方式实现驱动和驱动检测功能。

在一些实施例中，两个第一驱动装置的两个第一驱动结构可以位于第二质量块111的一端，两个第一驱动检测装置可以位于第二质量块111的另一端。在一些实施例中，第二检测部还可以只包括一个第一驱动装置，其只包括一个第一驱动结构和一个第一驱动检测结构，第一驱动结构位于第二质量块111的一端，第一驱动检测结构对称设置于第二质量块111的另一端。

第二检测装置组包括设置在第二质量块111中间的Z方向检测电容组115、以及由设置在基底上的第三电极116和第四电极117与第二质量块111组成的两个Y方向检测电容组，两个Y方向检测电容组相对Z方向检测电容组对称设置。本实施例中，第三电极116和第四电极117对应第二质量块111两条长边的中间位置。在一些实施例中，两个Y方向检测电容组也可以设置在第二质量块111的其他位置，或者只设置一个Y方向检测电容。在本实施例中，Z方向检测电容组115包括相对第一质量块的X方向对称轴对称设置的第一Z方向检测电容115a和第二Z方向检测电容115b。Z方向检测电容的固定梳齿组固定在锚点上，可动梳齿组固定连接在第二质量块111上。两个Z方向检测电容被设置为当第二质量块111沿Y方向向上运动时，第一Z方向检测电容115a的电容值变大，第二Z方向检测电容115b的电容值变小。在一些实施方式中，第一Z方向检测电容115a和第二Z方向检测电容115b在第一质量块沿Y轴方向运动时，其电容值可以同时变大或变小，或者在一些实施例中，Z方向检测电容组115只包括一个检测电容。

第三检测部12的结构和第二检测部11的类似，包括设置在***的第二框架122、设置在第二框架122内侧的第三质量块121、设置在第三质量块121内部的两个第二驱动装置123和124、以及第三检测装置组。第三质量块121通过连接在四个角或四个角附近的弹簧连接到第二框架122上，这四个弹簧具有Y方向的自由度，在一些实施例中，这四个弹簧可以是U型弹簧。两个第二驱动装置123和124的设置方式及可能变化方式，和两个第一驱动装置类似，在此不赘述。

第三检测装置组包括Z方向检测电容组125、以及由设置在基底上的第五电极126和第六电极127与第三质量块121组成的两个Y方向检测电容组。两个Y方向检测电容组、Z方向检测电容组125的设置方式和第二检测装置组中的设置方式相似，在此不赘述。在本实施例中，Z方向检测电容组125包括第三Z方向检测电容125a和第四Z方向检测电容125b，两个Z方向检测电容被设置为当第三质量块121沿Y方向向下运动时，第三Z方向检测电容125a的电容值变小，第四Z方向检测电容125b的电容值变大。

第一质量块101通过第一弹簧151和第一框架111相连，通过第二弹簧152和第二框架121相连。并且，第一弹簧151和第二弹簧152的两端与第一质量块101、第一框架111、第二框架121的连接点都在相应边的中间或大致中间位置。第一弹簧151和第二弹簧152的形状类似“S”型，当第一框架112和第二框架122由驱动装置驱动运动后，其运动能通过第一弹簧151和第二弹簧152传递到第一质量块101上，并且，由于第一框架112和第二框架122的驱动运动方向相反，因此，第一质量块101被带动在XY平面内发生旋转运动。在一些实施例中，第一弹簧151和第二弹簧152也可以为其他形状。

悬挂装置13包括设置在第一检测部10、第二检测部11和第三检测部12外侧的第一悬挂臂131和第二悬挂臂132。第一框架112的一端通过第七弹簧157和第八弹簧158连接到第一悬挂臂131上，另一端通过第九弹簧159和第十弹簧1510连接到第二悬挂臂132上，第七弹簧157、第八弹簧158、第九弹簧159和第十弹簧1510在X方向上具有自由度。第二框架122的一端通过第十一弹簧1511和第十二弹簧1512连接到第一悬挂臂131上，通过第十三弹簧1513和第十四弹簧1514连接到第二悬挂臂132上，第十一弹簧1511、第十二弹簧1512、第十三弹簧1513和第十四弹簧1514在X方向上具有自由度。第一悬挂臂131的中间位置连接有第一支撑梁142，第二悬挂臂132的中间位置连接有第二支撑梁143。

支撑装置14为支撑框架141，设置在第一悬挂臂131和第二悬挂臂132外侧，并固定在第一中间锚点165、第二中间锚点166、第一角部锚点167、第二角部锚点168、第三角部锚点169和第四角部锚点1610上。第一中间锚点165位于第一悬挂臂131中间位置附近，第一悬挂臂131通过第一支撑梁142连接到支撑框架141上，第二中间锚点166位于第二悬挂臂132中间位置附近，第二悬挂臂132通过第二支撑梁143连接到支撑框架141上，由此，第一悬挂臂131和第二悬挂臂132被支撑并悬挂，与第一悬挂臂131和第二悬挂臂132连接的第二检测部11、第三检测部12也被悬挂。第一悬挂臂131的两端还通过第三弹簧153、第四弹簧154连接到支撑框架141上，第二悬挂臂132的两端还通过第五弹簧155、第六弹簧156连接到支撑框架141上。第三弹簧153、第四弹簧154、第五弹簧155、第六弹簧156能避免驱动时第一悬挂臂和第二悬挂臂产生扭动，由此减少或避免造成Y方向位移，减少或避免双倍频问题。

在两个第一驱动装置113和114、两个第二驱动装置123和124的驱动下，第二质量块111和第三质量块121沿X方向作相反方向的往复运动，与第一质量块111和第二质量块121相连的第一框架112和第二框架122也被带动沿X方向作相反方向的往复运动。同时，第一框架112和第二框架122分别通过第一弹簧151和第二弹簧152带动第一质量块101作XY平面内的往复旋转运动。

当三轴MEMS陀螺仪受绕X方向的角速度时，原本在驱动装置的驱动下在XY平面旋转的第一质量块101受到了沿Z方向的哥氏力，发生Z方向的位移。具体地，第一质量块101两端的位移方向相反，第一电极105和第一质量块101一端形成的电容和第二电极106和第一质量块101另一端形成的电容形成差分检测，若第一电极105对应的第一质量块101的一端往远离第一电极105的方向移动，则第一电极105处的电容值减小，此时第二电极106对应的第一质量块101的一端往趋近第二电极106的方向移动，则第二电极106处的电容值增大。由此，通过X方向检测电容组检测绕X方向的角速度。

当三轴MEMS陀螺仪受绕Y方向的角速度时，原本在驱动装置的驱动下沿X轴运动的第二检测部11(第二质量块111和第一框架112)和第三检测部12(第三质量块121和第二框架122)受到了沿Z方向的哥氏力，发生Z方向的位移。具体地，第二检测部11和第三检测部12沿Z方向的位移方向相反，第三电极116和第四电极117与第二质量块111形成的电容组与第五电极126和第六电极127与第三质量块121形成的电容组形成差分检测。若第二检测部11往Z-移动，则第三电极116和第四电极117处的电容值增大，此时第三检测部12往Z+移动，则第五电极126和第六电极127处的电容值减小。由此，通过Y方向检测电容组检测绕Y方向的角速度。

当三轴MEMS陀螺仪受绕Z方向的角速度时，原本在驱动装置的驱动下沿X轴运动的第二检测部11(第二质量块111和第一框架112)和第三检测部12(第三质量块121和第二框架122)受到了沿Y方向的哥氏力，发生Y方向的位移。具体地，第二检测部11和第三检测部12沿Y方向的位移方向相反，第一Z方向检测电容115a和第四Z方向检测电容125b与第二Z方向检测电容115b和第三Z方向检测电容125a形成差分检测。若第二检测部11往Y+方向移动，第三检测部12往Y-方移动，则第一Z方向检测电容115a和第四Z方向检测电容125b处的电容值减小，第二Z方向检测电容115b和第三Z方向检测电容125a处的电容值增大。由此，通过Z方向检测电容检测绕X方向的角速度。

实施例2

如图5所示，本实施例的三轴MEMS陀螺仪的结构呈中心对称，包括基底(图中未示出)，第一检测部20、第二检测部21、第三检测部22、悬挂装置23和支撑装置24。

第一检测部20包括第一质量块201和第一检测装置组。其中，第一检测装置组(X方向电容组)能用于检测绕X方向的角速度，其包括由设置在基底上的第一电极205和第二电极206与第一质量块201组成的两个X方向电容组。第一质量块101为长方形构型，其长边沿X方向延伸。第一电极205和第二电极206设置在第一质量块201长度方向上的两端部所对应的基底上。

在另一些实施例中，第一质量块201还可以是其他的构型，比如正方形。

第一质量块201中间设置一孔，该孔内设置有一组连接梁，并且固定在基底上的第一锚点组和第二锚点组也对应该孔。第一质量块201通过这组连接梁固定至第一锚点组和第二锚点组上，使得第一质量块201相对于基底悬浮且可动。这一组连接梁包括沿X方向设置的第一连接梁202，沿Y方向设置且正交于第一连接梁202的第二连接梁203及第三连接梁204。第二连接梁203和第三连接梁204位于第一连接梁203的两侧，第二连接梁203连接到第一锚点组上(具体地，连接到第一锚点261和第二锚点262之间的连接梁上)，第三连接梁204连接到第二锚点组上(具体地，连接到第三锚点263和第四锚点264之间的连接梁上)。

第二检测部21和第三检测部22对称设置在第一检测部20沿Y方向的两侧，并分别和第一检测部20相连。

第二检测部21包括设置在***的第一框架212、设置在第一框架212内侧的第二质量块211、设置在第二质量块211内部的两个第一驱动装置213和214、以及第二检测装置组。第二质量块211通过连接在四个角上或四个角附近的弹簧连接到第一框架212上，这四个弹簧具有Y方向的自由度，在本实施例中，这四个弹簧是U型弹簧。

两个第一驱动装置213和214沿X方向对称设置在第二质量块211上，用于驱动第二质量块211沿X方向的运动。每一个第一驱动装置都包括一个第一驱动结构和一个第一驱动检测结构，第一驱动结构提供驱动力，第一驱动检测结构用于检测第一驱动结构的驱动幅度。第一驱动结构包括第一驱动可动梳齿组和第一驱动固定梳齿组，第一驱动检测结构包括第一驱动检测可动梳齿组和第一驱动检测固定梳齿组，固定梳齿组固定在锚点上，可动梳齿组固定设置在第二质量块211上。第一驱动固定梳齿组和第一驱动检测固定梳齿组相背设置。在一些实施例中，每一个第一驱动装置只包括一组固定梳齿组和一组可动梳齿组，通过分时复用方式实现驱动和驱动检测功能

在一些实施例中，两个第一驱动结构可以位于第二质量块211的一端，两个第一驱动检测装置可以对称设置于第二质量块211的另一端。在一些实施例中，第二检测部还可以只包括一个第一驱动装置，其只包括一个第一驱动结构和一个第一驱动检测结构，第一驱动结构位于第二质量块211的一端，第一驱动检测结构对称设置于第二质量块211的另一端。

第二检测装置组包括设置在第二质量块211中间的Z方向检测电容组215、以及由设置在基底上的第三电极216和第四电极217与第二质量块211组成的两个Y方向检测电容组，两个Y方向检测电容组相对Z方向检测电容组对称设置。本实施例中，第三电极216和第四电极217对应第二质量块211两条长边的中间位置。在一些实施例中，两个Y方向检测电容组也可以设置在第二质量块211的其他位置，或者只设置一个Y方向检测电容。在本实施例中，Z方向检测电容组215包括相对第一质量块的X方向对称轴对称设置的第一Z方向检测电容215a和第二Z方向检测电容215b。Z方向检测电容的固定梳齿组固定在锚点上，可动梳齿组固定连接在第二质量块211上。两个Z方向检测电容被设置为当第二质量块211沿Y方向向上运动时，第一Z方向检测电容215a的电容值变大，第二Z方向检测电容215b的电容值变小。在一些实施方式中，第一Z方向检测电容215a和第二Z方向检测电容215b在第一质量块沿Y轴方向运动时，其电容值可以同时变大或变小，或者在一些实施例中，Z方向检测电容组115只包括一个检测电容。

第三检测部22的结构和第二检测部21的类似，包括设置在***的第二框架222、设置在第二框架222内侧的第三质量块221、设置在第三质量块221内部的两个第二驱动装置223和224、以及第三检测装置组。第三质量块221通过连接在四个角或四个角附近的弹簧连接到第二框架222上，这四个弹簧具有Y方向的自由度，在一些实施例中，这四个弹簧可以是U型弹簧。两个第二驱动装置223和224的设置方式及可能变化方式，和两个第一驱动装置类似，在此不赘述。

第三检测装置组包括Z方向检测电容组225、以及由设置在基底上的第五电极226和第六电极227与第三质量块221组成的两个Y方向检测电容组。两个Y方向检测电容组、Z方向检测电容组225的设置方式和第二检测装置组中的设置方式相似，在此不赘述。在本实施例中，Z方向检测电容组225包括第三Z方向检测电容225a和第四Z方向检测电容225b，两个Z方向检测电容被设置为当第三质量块221沿Y方向向下运动时，第三Z方向检测电容225a的电容值变小，第四Z方向检测电容225b的电容值变大。

第一质量块201通过第一弹簧251和第一框架211相连，通过第二弹簧252和第二框架221相连。并且，第一弹簧251和第二弹簧252的两端与第一质量块201、第一框架211、第二框架221的连接点都在相应边的中间或大致中间位置。第一弹簧251和第二弹簧252的形状类似“S”型，当第一框架212和第二框架222由驱动装置驱动运动后，其运动能通过第一弹簧251和第二弹簧252传递到第一质量块201上，并且，由于第一框架212和第二框架222的驱动运动方向相反，因此，第一质量块201被带动在XY平面内发生旋转运动。在一些实施例中，第一弹簧251和第二弹簧252也可以为其他形状。

悬挂装置23包括设置在第一检测部20、第二检测部21和第三检测部22外侧的悬挂框架231。第一框架212的一端通过第七弹簧257和第八弹簧258连接到悬挂框架231的一侧，另一端通过第九弹簧259和第十弹簧2510连接到悬挂框架231的一侧，第七弹簧257、第八弹簧258、第九弹簧259和第十弹簧2510在X方向上具有自由度。第二框架222的一端通过第十一弹簧2511和第十二弹簧2512连接到悬挂框架231的一侧，通过第十三弹簧2513和第十四弹簧2514连接到悬挂框架231的另一侧，第十一弹簧2511、第十二弹簧2512、第十三弹簧2513和第十四弹簧2514在X方向上具有自由度。悬挂框架231两个长边的中间位置连接有第一支撑梁242和第二支撑梁243。

支撑装置24为第一支撑锚点265和第二支撑锚点266，设置在悬挂框架231外侧。第一支撑锚点265对应设置在悬挂框架231沿Y方向的一条边的中间位置的外侧，第一支撑梁242连接到第一支撑锚点265上，第二支撑锚点266对应设置在悬挂框架231沿Y方向的另一条边的中间位置的外侧，第二支撑梁243连接到第二支撑锚点266上，由此，悬挂框架被支撑并悬挂，与支撑框架231连接的第二检测部21、第三检测部22也被悬挂。

在两个第一驱动装置213和214、两个第二驱动装置223和224的驱动下，第二质量块211和第三质量块221沿X方向作相反方向的往复运动，与第一质量块211和第二质量块221相连的第一框架212和第二框架222也被带动沿X方向作相反方向的往复运动。同时，第一框架212和第二框架222分别通过第一弹簧251和第二弹簧252带动第一质量块201作XY平面内的往复旋转运动。

当三轴MEMS陀螺仪受绕X方向的角速度时，原本在驱动装置的驱动下在XY平面旋转的第一质量块201受到了沿Z方向的哥氏力，发生Z方向的位移。具体地，第一质量块201两端的位移方向相反，第一电极205和第一质量块201一端形成的电容和第二电极206和第一质量块201另一端形成的电容形成差分检测，若第一电极205对应的第一质量块201的一端往远离第一电极205的方向移动，则第一电极205处的电容值减小，此时第二电极206对应的第一质量块201的一端往趋近第二电极206的方向移动，则第二电极206处的电容值增大。由此，通过X方向检测电容组检测绕X方向的角速度。

当三轴MEMS陀螺仪受绕Y方向的角速度时，原本在驱动装置的驱动下沿X轴运动的第二检测部21(第二质量块211和第一框架212)和第三检测部22(第三质量块221和第二框架222)受到了沿Z方向的哥氏力，发生Z方向的位移。具体地，第二检测部21和第三检测部22沿Z方向的位移方向相反，第三电极216和第四电极217与第二质量块211形成的电容组与第五电极226和第六电极227与第三质量块221形成的电容组形成差分检测。若第二检测部21往Z-移动，则第三电极216和第四电极217处的电容值增大，此时第三检测部22往Z+移动，则第五电极226和第六电极227处的电容值减小。由此，通过Y方向检测电容组检测绕Y方向的角速度。

当三轴MEMS陀螺仪受绕Z方向的角速度时，原本在驱动装置的驱动下沿X轴运动的第二检测部21(第二质量块211和第一框架212)和第三检测部22(第三质量块221和第二框架222)受到了沿Y方向的哥氏力，发生Y方向的位移。具体地，第二检测部21和第三检测部22沿Y方向的位移方向相反，第一Z方向检测电容215a和第四Z方向检测电容225b与第二Z方向检测电容215b和第三Z方向检测电容225a形成差分检测。若第二检测部21往Y+方向移动，第三检测部22往Y-方移动，则第一Z方向检测电容215a和第四Z方向检测电容225b处的电容值减小，第二Z方向检测电容215b和第三Z方向检测电容225a处的电容值增大。由此，通过Z方向检测电容检测绕X方向的角速度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，包括：

基底，

第一检测部，用于检测绕X方向的角速度；所述第一检测部包括：第一质量块，所述第一质量块通过一组连接梁连接到固定在基底上的一组锚点上，所述连接梁使得所述第一质量块能绕结构中心发生XY平面内的旋转，以及发生靠近或远离所述基底的转动；和第一检测装置组，所述第一检测装置组是由设置在基底上的电极和第一质量块组成的电容组；

第二检测部和第三检测部，对称设置在所述第一检测部的两侧，所述第二检测部和所述第三检测部分别通过第一弹簧和第二弹簧与所述第一检测部连接，所述第一弹簧和所述第二弹簧能够将所述第二检测部和所述第三检测部的驱动力传递到所述第一检测部，并被设置为能够提供方向相反的驱动力，以及能用于检测绕Y方向和绕Z方向的角速度；其中，X方向垂直于Y方向，Z方向垂直于X方向和Y方向；

所述第二检测部包括：第一框架；第二质量块，所述第二质量块设置在所述第一框架内部，通过至少两组弹簧和所述第一框架连接，所述至少两组弹簧在Y方向具有自由度；至少一个第一驱动装置，设置在所述第二质量块内部；和第二检测装置组，设置在所述第二质量块内部；

所述第三检测部包括：第二框架；第三质量块，所述第三质量块设置在所述第二框架内部，通过至少两组弹簧和所述第二框架连接，所述至少两组弹簧在Y方向具有自由度；至少一个第二驱动装置，设置在所述第三质量块内部；和第三检测装置组，设置在所述第三质量块内部；其中，所述至少一个第一驱动装置和所述至少一个第二驱动装置的驱动方向相反；

悬挂装置，设置在所述第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，所述悬挂装置和所述第二检测部及所述第三检测部相连，并和支撑装置相连，实现悬挂装置的悬挂；和

支撑装置，固定设置在所述基底上；所述支撑装置为支撑框架，所述支撑框架通过锚点固定在所述基底上，并相对于所述基底不能发生移动；所述悬挂装置包括第一悬挂臂和第二悬挂臂，所述第一悬挂臂通过第一支撑梁连接到所述支撑框架上，所述第二悬挂臂通过第二支撑梁连接到所述支撑框架上。

2.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一质量块的中间具有孔，所述一组连接梁设置在所述第一质量块的孔中；所述一组连接梁包括：沿X方向设置的第一连接梁，和沿Y方向设置在所述第一连接梁两侧、并与所述第一连接梁相连的第二连接梁和第三连接梁，通过所述第二连接梁和第三连接梁实现所述第一质量块相对基底的悬浮。

3.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一框架通过至少两组弹簧连接到所述悬挂装置上；所述第二框架通过至少两组弹簧连接到所述悬挂装置上；所述至少两组弹簧在X方向上具有自由度。

4.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一悬挂臂的两端分别通过弹簧与所述支撑框架相连；所述第二悬挂臂的两端分别通过弹簧与所述支撑框架相连。

5.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，

所述第一驱动装置包括：第一驱动结构，用于驱动所述第二检测部运动；和第一驱动检测结构，用于检测所述第一驱动结构的驱动幅度；

所述第二驱动装置包括：第二驱动结构，用于驱动所述第三检测部运动；和第二驱动检测结构，用于检测所述第二驱动结构的驱动幅度；

或者所述第一驱动装置和所述第二驱动装置都只包括一组可动梳齿组和固定梳齿组，通过分时复用的方式实现驱动和驱动检测；

第二检测装置组和第三检测装置组都包括：

用以检测绕Y方向的角速度的Y方向检测电容组，由设置在基底上的电极和第二质量块及第三质量块组成，或由设置在基底上的梳齿组和设置在第二质量块及第三质量块上的梳齿组组成；和

用以检测绕Z方向的角速度的Z方向检测电容组，由设置在第二质量块及第三质量块上的可动梳齿组和连接到锚点上的固定梳齿组组成。

6.一种三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，包括：

基底，

第一检测部，用于检测绕X方向的角速度；所述第一检测部包括：第一质量块，所述第一质量块通过一组连接梁连接到固定在基底上的一组锚点上，所述连接梁使得所述第一质量块能绕结构中心发生XY平面内的旋转，以及发生靠近或远离所述基底的转动；和第一检测装置组，所述第一检测装置组是由设置在基底上的电极和第一质量块组成的电容组；

第二检测部和第三检测部，对称设置在第一检测部的两侧，所述第二检测部和第三检测部分别通过第一弹簧和第二弹簧与所述第一检测部连接，所述第一弹簧和所述第二弹簧能够将所述第二检测部和第三检测部的驱动力传递到所述第一检测部，并被设置为能够提供方向相反的驱动力，以及能用于检测绕Y方向和绕Z方向的角速度；其中，X方向垂直于Y方向，Z方向垂直于X方向和Y方向；

所述第二检测部包括：第一框架；第二质量块，所述第二质量块设置在所述第一框架内部，通过至少两组弹簧和所述第一框架连接，所述至少两组弹簧在Y方向具有自由度；至少一个第一驱动装置，设置在所述第二质量块内部；和第二检测装置组，设置在所述第二质量块内部；

所述第三检测部包括：第二框架；第三质量块，所述第三质量块设置在所述第二框架内部，通过至少两组弹簧和所述第二框架连接，所述至少两组弹簧在Y方向具有自由度；至少一个第二驱动装置，设置在所述第三质量块内部；和第三检测装置组，设置在所述第三质量块内部；其中，所述至少一个第一驱动装置和所述至少一个第二驱动装置的驱动方向相反；

悬挂装置，设置在所述第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，所述悬挂装置和所述第二检测部及所述第三检测部相连，并和支撑装置相连，实现悬挂装置的悬挂；和

支撑装置，固定设置在所述基底上；所述支撑装置为固定在基底上的第一支撑锚点和第二支撑锚点；所述悬挂装置包括悬挂框架，所述悬挂框架通过第一支撑梁和第二支撑梁分别与所述第一支撑锚点和第二支撑锚点相连。

7.如权利要求6所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一质量块的中间具有孔，所述一组连接梁设置在所述第一质量块的孔中；所述一组连接梁包括：沿X方向设置的第一连接梁，和沿Y方向设置在所述第一连接梁两侧、并与所述第一连接梁相连的第二连接梁和第三连接梁，通过所述第二连接梁和第三连接梁实现所述第一质量块相对基底的悬浮。

8.如权利要求6所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一框架通过至少两组弹簧连接到所述悬挂装置上；所述第二框架通过至少两组弹簧连接到所述悬挂装置上；所述至少两组弹簧在X方向上具有自由度。

9.如权利要求6所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，

所述第一驱动装置包括：第一驱动结构，用于驱动所述第二检测部运动；和第一驱动检测结构，用于检测所述第一驱动结构的驱动幅度；

所述第二驱动装置包括：第二驱动结构，用于驱动所述第三检测部运动；和第二驱动检测结构，用于检测所述第二驱动结构的驱动幅度；

或者所述第一驱动装置和所述第二驱动装置都只包括一组可动梳齿组和固定梳齿组，通过分时复用的方式实现驱动和驱动检测；

第二检测装置组和第三检测装置组都包括：

用以检测绕Y方向的角速度的Y方向检测电容组，由设置在基底上的电极和第二质量块及第三质量块组成，或由设置在基底上的梳齿组和设置在第二质量块及第三质量块上的梳齿组组成；和

用以检测绕Z方向的角速度的Z方向检测电容组，由设置在第二质量块及第三质量块上的可动梳齿组和连接到锚点上的固定梳齿组组成。

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