CN111156982A - Mems陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了MEMS陀螺仪，包括具有空腔的固定件、设于空腔中的谐振环、以及设于谐振环内侧的第一电极，第一电极包括用于驱动谐振环沿相互垂直的第一方向和第二方向振动的驱动电极和用于检测谐振环沿与第一方向的夹角呈45度方向和与第一方向的夹角呈135度方向振动的检测电极，谐振环包括辐条和若干个设于固定件与第一电极之间且从固定件朝向第一电极依次嵌套的环形件，任意相邻的两个环形件之间、以及固定件与靠近固定件的环形件之间均通过辐条连接，环形件为正8N角星，其中，N为整数，且N≥2。本发明公开的MEMS陀螺仪通过设置环形件为正8N角星，降低了挠性变形宽度h，增大陀螺fT，进而提升陀螺品质因数和整个MEMS陀螺仪性能。

Description

MEMS陀螺仪
【技术领域】
本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种MEMS陀螺仪。
【背景技术】
微机械陀螺仪，即MEMS(Micro Electro Mechanical systems)陀螺仪，是一种典型的角速度微传感器，由于其尺寸小、功耗低和加工方便等优势在消费电子市场有着非常广泛的应用。近年来随着MEMS陀螺仪性能的逐步提升，广泛应用于汽车、工业、虚拟现实等领域。
MEMS陀螺仪可分为线振动音叉型陀螺仪和圆盘形陀螺仪两类，其中，圆盘形陀螺仪的驱动模态振型和检测模态振型简并,灵敏度高，且结构简单，逐步成为实用较为广泛的高性能陀螺仪。但是，圆盘形陀螺仪受限于结构和空间布局，导致品质因数低，且结构内可够容纳的电容量较小，存在着应用的局限。
因而，有必要提供一种新的MEMS陀螺仪以解决上述的问题。
【发明内容】
本发明的目的公开一种品质因数高的MEMS陀螺仪。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种MEMS陀螺仪，包括具有空腔的固定件、设于所述空腔中的谐振环、以及设于所述谐振环内侧的第一电极，所述第一电极包括用于驱动所述谐振环沿相互垂直的第一方向和第二方向振动的驱动电极和用于检测所述谐振环沿与所述第一方向的夹角呈45度方向和与所述第一方向夹角呈135度方向振动的检测电极，所述谐振环包括辐条和若干个设于所述固定件与所述第一电极之间且从所述固定件朝向所述第一电极依次嵌套的环形件，任意相邻的两个环形件之间、以及所述固定件与靠近所述固定件的所述环形件之间均通过所述辐条连接，所述环形件为正8N角星，其中，N为整数，且N≥2。
作为一种改进方式，任意相邻两个所述环形件之间设有4N个所述辐条，4N个所述辐条呈圆周等间距分布，所述辐条的一端连接一个所述环形件的顶点、另一端连接另一个所述环形件的顶点。
作为一种改进方式，任意相邻两个所述环形件之间设有4N个所述辐条，4N个所述辐条呈圆周等间距分布，其中一个所述环形件的角部包括两个相向延伸的第一斜杆和连接于两个所述第一斜杆之间的第一横杆，另一个所述环形件的角部包括两个相向延伸的第二斜杆和连接于两个所述第二斜杆之间的第二横杆，所述辐条的一端连接于所述第一横杆、另一端连接于所述第二横杆。
作为一种改进方式，所述MEMS陀螺仪还包括悬挂于相邻两个所述环形件之间的质量环。
作为一种改进方式，所述质量环包括若干个环绕所述第一电极间隔分布的第一质量块，每个所述辐条的两侧各连接一个所述第一质量块。
作为一种改进方式，所述质量环还包括若干个环绕所述第一电极间隔分布的第二质量块，相邻两个所述辐条之间设有一个所述第二质量块，每个所述第二质量块呈V字形，所述第二质量块的尖端处与所述环形件向外突出的角尖处连接。
作为一种改进方式，所述MEMS陀螺仪还包括设于相邻两个所述环形件之间的第二电极，所述第二电极位于所述质量环与所述固定件之间。
作为一种改进方式，所述第一电极设有8N个且每个所述第一电极设有V字槽，所述环形件的角部嵌设于所述V字槽中。
作为一种改进方式，所述固定件和所述谐振环一体成型。
作为一种改进方式，所述环形件为正十六角星。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过设置环形件为正8N角星，利用星形的角部容易变形和结构对称的特征，一方面能够实现陀螺仪驱动模态与检测模态的简并，符合哥氏效应原理，另一方面将谐振环优化为嵌套多层相似的正8N角星的结构，该设计方式降低了挠性变形宽度h，增大陀螺fT，进而提升陀螺品质因数，从而提升了整个MEMS陀螺仪的性能。
【附图说明】
图1为本发明实施例一公开的MEMS陀螺仪的正视示意图；
图2为本发明实施例一公开的MEMS陀螺仪的局部示意图；
图3为本发明实施例一公开的MEMS陀螺仪在X轴方向的振动模态示意图；
图4为本发明实施例一公开的MEMS陀螺仪在135度轴方向的检测模态示意图；
图5为陀螺仪热弹性阻尼QTED与热释放频率fT的关系示意图；
图6为本发明其它实施例中相邻两个环形件与辐条的连接示意图；
图7为本发明实施例二公开的MEMS陀螺仪的正视示意图；
图8为本发明实施例二公开的MEMS陀螺仪的局部示意图；
图9为本发明实施例三公开的MEMS陀螺仪的正视示意图；
图10为本发明实施例三公开的MEMS陀螺仪的局部示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一：
请参阅附图1-2，本发明的实施例一公开一种MEMS陀螺仪100，包括具有空腔111的固定件11、设于空腔111中的谐振环12、以及设于谐振环12内侧的第一电极13，第一电极13包括用于驱动谐振环12沿相互垂直的第一方向X和第二方向Y振动的驱动电极和用于检测谐振环12沿与第一方向的夹角呈45度方向D和与第一方向的夹角呈135度方向M振动的检测电极，谐振环12包括辐条121和若干个设于固定件11与第一电极13之间且从固定件11朝向第一电极13依次嵌套的环形件122，任意相邻的两个环形件122之间、以及固定件11与靠近固定件11的环形件122之间均通过辐条121连接，环形件122为正8N角星，其中，N为整数，且N≥2。
MEMS陀螺仪100使用时,物体在没有转动的情况下，环形件122在驱动电极驱动力F1的作用下沿第一方向X和第二方向Y振动,形成振动模态，图3展示的是环形件122在第一方向X的振动模态。当物体发生转动时，根据哥氏原理，物体转动的角速度产生沿45度方向D和135度方向M的哥氏力合力F2，哥氏力合力F2会迫使环形件122沿45度方向D和135度方向M振动，形成检测模态，图4展示的是环形件122在135度方向M的检测模态。检测电极通过检测环形件122沿45度方向D和135度方向M的位移，经过运算处理即可获得物体转动角速度的大小。
为提升陀螺仪的性能，首选方案是提升陀螺仪的品质因数。品质因数是评价陀螺仪结构能量损耗的指标。常见的能量损失机制包括：空气阻尼损失，表面损失，固定点损失，电子器件阻尼以及热弹性阻尼损失。由于陀螺仪工作时处于高真空状态下，所以空气阻尼损失较小，而热弹性阻尼QTED成为了陀螺仪工作时主要的能量损失源，即QTED是陀螺仪品质因数上限。根据Zener有关热弹性损耗理论，热弹性品质因数QTED计算模型为：
Figure BDA0002352914730000041
Figure BDA0002352914730000042
其中，fM与fT分别是谐振器的机械频率与热释放频率。E为杨氏模量，a为热扩散的线性系数。T0为梁的环境温度，cv为比热容，k为热导率，h为谐振器的挠性变形宽度。依上述公式，得出fT与QTED间的变化规律如图5所示。
代入硅的材料参数以及典型MEMS谐振器的挠性变形宽度(取h＝1-500um)，计算可知，典型MEMS谐振器的热释放频率fT＞2MHz，计算得出的热释放频率值远大于典型陀螺仪的机械频率。因而，针对陀螺仪QTED处于图5中fM<fT的区域，增大陀螺fT可提升陀螺QTED。相应地，根据fT表达式可推断得出，降低谐振器内挠性变形宽度h是提升陀螺QTED的结构优化方法。
本实施例公开的MEMS陀螺仪100，通过设置环形件122为正8N角星，利用星形的角部容易变形和结构对称的特征，一方面能够实现陀螺仪驱动模态与检测模态的简并，符合哥氏效应原理，另一方面将谐振环12优化为嵌套多层相似的正8N角星的结构，该设计方式降低了挠性变形宽度h，增大陀螺fT，进而提升陀螺品质因数，从而提升了整个MEMS陀螺仪100的性能。
作为本实施例的一种改进方式，任意相邻两个环形件122之间设有4N个辐条121，4N个辐条121呈圆周等间距分布，辐条121的一端连接一个环形件122的顶点、另一端连接另一个环形件122的顶点。
请参阅图6，在其它的实施例中，任意相邻两个环形件122中的其中一个环形件122的角部包括两个相向延伸的第一斜杆131和连接于两个第一斜杆131之间的第一横杆132，另一个环形件122的角部包括两个相向延伸的第二斜杆141和连接于两个第二斜杆141之间的第二横杆142，辐条121的一端连接于第一横杆132、另一端连接于第二横杆142。该设计方式增加了辐条121与相邻两个环形件122连接的可靠性。
作为本实施例的一种改进方式，第一电极13设有8N个且每个第一电极13设有V字槽131，环形件122的角部1221嵌设于V字槽131中。
作为本实施例的一种改进方式，固定件11和谐振环12一体成型。优选地，固定件11和谐振环12采用硅晶片一体成型。在其它实施例中，固定件11、谐振环12以及第一电极13一体成型。
作为本实施例的一种改进方式，环形件122为正十六角星。
实施例二：
请参阅图7-8，本实施例公开的MEMS陀螺仪200与实施一公开的MEMS陀螺仪100不同的地方在于：本实施例公开的MEMS陀螺仪200还包括悬挂于相邻两个环形件222之间的质量环40。通过在相邻两个环形件222之间悬挂质量环40，可以增大环形件40的灵敏度，提升MEMS陀螺仪200的性能。
作为本实施例的一种改进方式，质量环40包括若干个环绕第一电极23间隔分布的第一质量块41，每个辐条221的两侧各连接一个第一质量块41。
作为本实施例的一种改进方式，质量环40还包括若干个环绕第一电极23间隔分布的第二质量块42，相邻两个辐条221之间设有一个第二质量块42，每个第二质量块42呈V字形，第二质量块42的尖端处与环形件222向外突出的角尖处连接。
本实施例公开的MEMS陀螺仪200中其它部件的结构及部件之间的连接关系可以参照实施例一中公开的MEMS陀螺仪100，在此不做赘述。
实施例三：
请参阅图9-10，本实施例公开的MEMS陀螺仪300与实施二公开的MEMS陀螺仪100不同的地方在于：本实施例公开的MEMS陀螺仪300还包括设于相邻两个环形件322之间的第二电极50，第二电极位50于质量环40与固定件10之间。通过在相邻两个环形件322之间设有第二电极50，第二电极50扩大了MEMS陀螺仪300可使用的电容量，提升MEMS陀螺仪300的灵敏度和性能。
本实施例公开的MEMS陀螺仪300中其它部件的结构及部件之间的连接关系可以参照实施例一中公开的MEMS陀螺仪100，在此不做赘述。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，包括具有空腔的固定件、设于所述空腔中的谐振环、以及设于所述谐振环内侧的第一电极，所述第一电极包括用于驱动所述谐振环沿相互垂直的第一方向和第二方向振动的驱动电极和用于检测所述谐振环沿与所述第一方向的夹角呈45度方向和与所述第一方向的夹角呈135度方向振动的检测电极，所述谐振环包括辐条和若干个设于所述固定件与所述第一电极之间且从所述固定件朝向所述第一电极依次嵌套的环形件，任意相邻的两个环形件之间、以及所述固定件与靠近所述固定件的所述环形件之间均通过所述辐条连接，所述环形件为正8N角星，其中，N为整数，且N≥2。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，任意相邻两个所述环形件之间设有4N个所述辐条，4N个所述辐条呈圆周等间距分布，所述辐条的一端连接一个所述环形件的顶点、另一端连接另一个所述环形件的顶点。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，任意相邻两个所述环形件之间设有4N个所述辐条，4N个所述辐条呈圆周等间距分布，其中一个所述环形件的角部包括两个相向延伸的第一斜杆和连接于两个所述第一斜杆之间的第一横杆，另一个所述环形件的角部包括两个相向延伸的第二斜杆和连接于两个所述第二斜杆之间的第二横杆，所述辐条的一端连接于所述第一横杆、另一端连接于所述第二横杆。
4.根据权利要求2或3所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述MEMS陀螺仪还包括悬挂于相邻两个所述环形件之间的质量环。
5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述质量环包括若干个环绕所述第一电极间隔分布的第一质量块，每个所述辐条的两侧各连接一个所述第一质量块。
6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述质量环还包括若干个环绕所述第一电极间隔分布的第二质量块，相邻两个所述辐条之间设有一个所述第二质量块，每个所述第二质量块呈V字形，所述第二质量块的尖端处与所述环形件向外突出的角尖处连接。
7.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述MEMS陀螺仪还包括设于相邻两个所述环形件之间的第二电极，所述第二电极位于所述质量环与所述固定件之间。
8.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一电极设有8N个且每个所述第一电极设有V字槽，所述环形件的角部嵌设于所述V字槽中。
9.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述固定件和所述谐振环一体成型。
10.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述环形件为正十六角星。
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