CN111174772B - 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；和悬挂装置，通过锚点组悬浮设置在基底上，并设置在第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，和第二检测部及第三检测部相连；悬挂装置被设置为能使得第二检测部和第三检测部发生沿Z方向的运动时，第二检测部和第三检测部保持平行于或大致平行于基底。本发明的三轴MEMS陀螺仪的结构紧凑、低成本，并能减弱或消除双倍频，其输出信号强。

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；和

悬挂装置，通过锚点组悬浮设置在基底上，并设置在第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，和第二检测部及第三检测部相连，使得第二检测部及第三检测部相对于基底悬浮；悬挂装置被设置为能使得第二检测部和第三检测部发生沿Z方向的运动时，第二检测部和第三检测部保持平行于或大致平行于基底。提高了Y方向检测电容组设置位置的可变性，使得在第二检测部和第三检测部的任何一个位点的电容值变化都一样大或基本一样大，这也在一定程度上提高了检测的精确度。

进一步地，悬挂装置包括对称设置的第一臂和第二臂；

第一臂包括第一臂第一区段、第一臂第二区段和第一臂第三区段，其中，第一臂第一区段和第一臂第二区段通过第一弹簧连接，第一臂第二区段和第一臂第三区段通过第二弹簧连接；

第二臂包括第二臂第一区段、第二臂第二区段和第二臂第三区段，其中第二臂第一区段和第二臂第二区段通过第三弹簧连接，第二臂第二区段和第二臂第三区段通过第四弹簧连接；

第一弹簧和第三弹簧对称设置在第二检测部的X方向对称轴上或X方向对称轴附近；第二弹簧和第四弹簧对称设置在第三检测部的X方向对称轴上或X方向对称轴附近；

第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧在Y方向具有弹性，能在Y方向被挤压或拉伸。

可选地，第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧为折叠型弹簧。

进一步地，悬挂装置还包括对称设置的第三臂和第四臂；第三臂的两端分别与第一臂第一区段和第二臂第一区段连接，第四臂的两端分别与第一臂第三区段和第二臂第三区段连接。

进一步地，第三臂分别通过第一连接梁、第二连接梁与第一角部锚点、第二角部锚点连接；第四臂分别通过第三连接梁、第四连接梁与第三角部锚点、第四角部锚点连接；

第一连接梁、第二连接梁、第三连接梁和第四连接梁被设置为能增加悬挂装置在X方向的刚度。其中，这四个连接梁沿X方向延伸设置。

进一步地，第一臂第二区段、第二臂第二区段分别通过连接梁和设置在基底上的第一中间锚点、第二中间锚点连接。两个连接梁分别连接到第一臂第二区段和第二臂第二区段的中间或大致中间位置。

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；

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平面内的旋转，以及发生靠近或远离基底的转动；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，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，至少一个第一驱动装置和至少一个第二驱动装置的驱动方向相反。

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；至少两组弹簧在X方向上具有自由度。

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。

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)通过悬挂装置的第一臂和第二臂设置为分别由三个区段和弹簧构成，使得悬挂装置的第一臂和第二臂在检测绕Y方向的角速度时，能发生弯折，从而使得第二检测部和第三检测部沿Z方向运动时，第二检测部和第三检测部本身保持平行或大致平行于基底的状态，提高了Y方向检测电容组设置位置的可变性。同时，相对于现有技术中质量块发生转动的方式，靠近转动中心的位置质量块位移小，检测到的电容值变化也小，本发明的实施方式中第二检测部和第三检测部整体相对于基底上下运动，使得在第二检测部和第三检测部的任何一个位点的电容值变化都一样大或基本一样大，这也在一定程度上提高了检测的精确度。

2)悬挂装置的第三臂和第四臂分别通过沿X方向延伸的连接梁连接到角部锚点上，连接梁增加了悬挂装置在X方向的刚度，减少或避免悬挂装置沿X方向移动，从而减少或避免由Y方向位移导致的双倍频问题。

3)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；

4)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；

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陀螺仪的部分结构放大图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的实施例，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，用以修饰相应的元件，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。

如图1、图2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、第二检测部、第三检测部和悬挂装置。

第一检测部包括第一质量块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104和第二电极105与第一质量块101组成的两个X方向电容组。第一质量块101可以分为三个部分，第一侧翼部分、中间部分和第二侧翼部分，第一侧翼部分和第二侧翼部分为正方形或长方形构型，分别通过一段比侧翼部分稍细的连接臂连接到中间部分上。第一电极104对应第一侧翼部分，第二电极105对应第二侧翼部分，可选地，第一电极104和第二电极105的面积比第一侧翼部分和第二侧翼部分稍大，从而减少第一质量块101在驱动时和检测时，由于第一侧翼部分和第二侧翼部分由于运动超出第一电极104和第二电极105的区域而产生的电容值变化。

在一些实施例中，第一侧翼部分和第二侧翼部分还可以是其他的构型，比如椭圆形等。在另一些实施例中，第一质量块101可以整体为长方形或正方形构型，若位长方形构型，则其长边沿X方向延伸。第一电极104和第二电极105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。

如图2所示，第一质量块101的中间部分设置一孔，该孔内设置有第五连接梁102和第六连接梁103，并且固定在基底上的第一锚点157和第二锚点158也对应该孔。第一质量块101通过第五连接梁102和第六连接梁103连接至第一锚点157和第二锚点158之间的连接梁上，使得第一质量块101相对于基底悬浮且可动。第五连接梁102和第六连接梁103沿Y方向延伸，并对称设置在第一锚点157和第二锚点158之间的连接梁的两侧，与该连接梁正交。第五连接梁102和第六连接梁103具有一定的可形变性，能够在驱动或绕X方向的角速度下发生XY平面内的扭动或绕Y方向的转动。

继续参考图1，第二检测部和第三检测部对称设置在第一检测部沿Y方向的两侧，并分别和第一检测部相连。

第二检测部包括设置在***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方向的往复运动。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的电容值变小，第二Z方向检测电容115b的电容值变大。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。

第三检测部的结构和第二检测部的类似，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的电容值变大，第四Z方向检测电容125b的电容值变小。

第一质量块101通过第五弹簧106和第一框架111相连，通过第六弹簧107和第二框架121相连。并且，第五弹簧106和第六弹簧107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。第五弹簧106和第六弹簧107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，其运动能通过第五弹簧106和第六弹簧107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。

悬挂装置为一个四边形结构，由第一臂131、第二臂132、第三臂133和第四臂134连接构成，第一检测部、第二检测部和第三检测部设置在该四边形结构内侧。其中，第一臂131和第二臂132对称设置，第三臂133和第四臂134对称设置。

第一臂131可以分为第一臂第一区段1311、第一臂第二区段1312和第一臂第三区段1313，第一臂第一区段1311和第一臂第二区段1312通过第一弹簧1314连接，第一臂第二区段1312和第一臂第三区段1313通过第二弹簧1315连接。第二臂132包括第二臂第一区段1321、第二臂第二区段1322和第二臂第三区段1323，其中第二臂第一区段1321和第二臂第二区段1322通过第三弹簧1324连接，第二臂第二区段1322和第二臂第三区1323段通过第四弹簧1325连接。

第一弹簧1314和第三弹簧1324的位置在第二检测部的X方向对称轴上或X方向对称轴附近；第二弹簧1315和第四弹簧1325的位置在第三检测部的X方向对称轴上或X方向对称轴附近。第一弹簧1314、第二弹簧1315、第三弹簧1324和第四弹簧1325在Y方向具有弹性，即能在Y方向被挤压或拉伸。在本实施例中，第一弹簧1314、第二弹簧1315、第三弹簧1324和第四弹簧1325为折叠型弹簧，由相邻设置的平直部分和连接各个平直部分的弯曲部分组成。在另一些实施例中，第一弹簧1314、第二弹簧1315、第三弹簧1324和第四弹簧1325还可以为其他形状，只要能起到连接作用和在Y方向具有弹性即可。

第二检测部的第一框架112的一端通过第七弹簧141连接到第一臂第一区段1311上、通过第八弹簧142连接到第一臂第二区段1312上，另一端通过第九弹簧143连接到第二臂第一区段1321上、通过第十弹簧144连接到第二臂第二区段1322上，第七弹簧141、第八弹簧142、第九弹簧143和第十弹簧144在X方向上具有自由度，并具有一定的Z方向形变能力。第三检测部的第二框架122的一端通过第十一弹簧145连接到第一臂第二区段1312上、通过第十二弹簧146连接到第一臂第三区段1313上，另一端通过第十三弹簧147连接到第二臂第二区段1322上、通过第十四弹簧148连接到第二臂第三区段1323上，第十一弹簧145、第十二弹簧146、第十三弹簧147和第十四弹簧148在X方向上具有自由度，并具有一定的Z方向形变能力。

悬挂装置连接到固定在基底上的锚点组，从而实现悬挂装置相对于基底的悬浮。其中，第一臂第二区段1312通过连接梁和第一中间锚点151连接，连接梁和第一臂第二区段1312的连接点位于第一臂第二区段1312的中间位置；第二臂第二区段1322通过连接梁和第二中间锚点152连接，连接梁和第二臂第二区段1322的连接点位于第二臂第二区段1322的中间位置。第三臂133通过第一连接梁135、第二连接梁136分别与第一角部锚点153、第二角部锚点154连接，第一连接梁135和第二连接梁136与第三臂133的连接点在第三臂133的两个端部附近；第四臂134通过第三连接梁137、第四连接梁138分别与第三角部锚点155、第四角部锚点156连接，第三连接梁137和第四连接梁138与第四臂134的连接点在第四臂134的两个端部附近。第一连接梁135、第二连接梁136、第三连接梁137和第四连接梁138沿X方向延伸，它们能够增加所述悬挂装置在X方向的刚度，减少或避免悬挂装置沿X方向移动，从而减少或避免由Y方向位移导致的双倍频问题。第一连接梁135、第二连接梁136、第三连接梁137和第四连接梁138在进行绕Y方向的角速度检测时，能随着悬挂装置的运动发生一定的扭转变形。

当陀螺仪受到绕Y方向的角速度时，第二检测部和第三检测部受到沿Z方向的哥氏力，会沿Z方向移动。由于与第二检测部和第三检测部相连的第一臂131和第二臂132均被分为三个区段，一个臂的每两个区段之间通过弹簧连接，因此，第一臂131和第二臂132的第一区段和第二区段、第二区段和第三区段会从位于一个水平面上发生以弹簧为运动起点的朝向或远离基底的运动。由此，使得第二检测部和第三检测部在沿Z方向运动时，第二检测部和第三检测部本身保持平行或大致平行于基底，使得Y方向检测电容组的设置位置不会或大致上不会影响检测到的电容值的大小。而现有技术中，质量块一般是发生相对于基底的旋转运动，那么在靠近转动中心的位置，质量块的位移小，势必会造成此处的电容值变化小，若检测电容组设置在这些位置，就会影响检测的精确度。因此，通过悬挂装置的第一臂131和第二臂132的可弯折性，实现第二检测部和第三检测部相对于基底整体上下移动，提高Y方向检测电容组设置位置的可变性，也在一定程度上提高了检测的精确度。

举例来说，当第二检测部受到Z方向的哥氏力发生沿Z+方向的运动时，第一臂第一区段1311和第二臂第一区段1321靠近弹簧的一端会发生沿Z+方向的运动，由于第一臂第一区段1311远离弹簧的一端和第二臂第一区段1321远离弹簧的一端都和第三臂133连接从而位置基本固定，因此，相对于基底，第一区段和第二区段形成一个钝角的形态，位于第一区段和第二区段之间的弹簧则被挤压拉伸发生一定的形变。由于第一区段和第二区段及弹簧的上述运动，使得第二检测部在沿Z方向运动时，其本身能保持平行或大致平行于基底，从而无论Y方向检测电容组设置在第二检测部的哪个位置，都能检测到最大的电容值变化。

在驱动模态下，两个第一驱动装置113和114、两个第二驱动装置123和124提供方向相反的驱动力，使第二质量块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分别通过第五弹簧106和第六弹簧107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104和第一质量块101一端形成的电容和第二电极105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104对应的第一质量块101的一端往远离第一电极104的方向移动，则第一电极104处的电容值减小，此时第二电极105对应的第一质量块101的一端往趋近第二电极105的方向移动，则第二电极105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(第二质量块111和第一框架112)和第三检测部(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，第二检测部和第三检测部沿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，此时第三检测部往Z+移动，则第五电极126和第六电极127处的电容值减小。并且，由于第二检测部和第三检测部沿Z方向运动时，其本身仍然保持和基底平行或大致平行，因此，第二检测部的两个Y方向检测电容组的电容值相同或基本相同，第三检测部的两个Y方向检测电容组的电容值形同或基本相同。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(第二质量块111和第一框架112)和第三检测部(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，第二检测部和第三检测部沿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。若第二检测部往Y+方向移动，第三检测部往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。

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；

第二检测部和第三检测部，对称设置在第一检测部的两侧，分别和所述第一检测部相连，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；和

悬挂装置，通过锚点组悬浮设置在所述基底上，并设置在所述第一检测部、第二检测部和第三检测部外侧，和所述第二检测部及所述第三检测部相连；所述悬挂装置被设置为能使得所述第二检测部和所述第三检测部发生沿Z方向的运动时，第二检测部和第三检测部保持平行于或大致平行于所述基底；

所述悬挂装置包括对称设置的第一臂和第二臂；

所述第一臂包括第一臂第一区段、第一臂第二区段和第一臂第三区段，其中，第一臂第一区段和第一臂第二区段通过第一弹簧连接，第一臂第二区段和第一臂第三区段通过第二弹簧连接；

所述第二臂包括第二臂第一区段、第二臂第二区段和第二臂第三区段，其中第二臂第一区段和第二臂第二区段通过第三弹簧连接，第二臂第二区段和第二臂第三区段通过第四弹簧连接；

所述第一弹簧和第三弹簧对称设置在所述第二检测部的X方向对称轴上或X方向对称轴附近；所述第二弹簧和第四弹簧对称设置在所述第三检测部的X方向对称轴上或X方向对称轴附近；

所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧在Y方向具有弹性。

2.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧为折叠型弹簧。

3.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述悬挂装置还包括对称设置的第三臂和第四臂；所述第三臂的两端分别与第一臂第一区段和第二臂第一区段连接，所述第四臂的两端分别与第一臂第三区段和第二臂第三区段连接。

4.如权利要求3所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第三臂分别通过第一连接梁、第二连接梁与第一角部锚点、第二角部锚点连接；所述第四臂分别通过第三连接梁、第四连接梁与第三角部锚点、第四角部锚点连接；

第一连接梁、第二连接梁、第三连接梁和第四连接梁被设置为能增加所述悬挂装置在X方向的刚度。

5.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一臂第二区段、所述第二臂第二区段分别通过连接梁和设置在基底上的第一中间锚点、第二中间锚点连接。

6.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，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；

所述第一检测部包括：

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，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，是由设置在基底上的电极和第一质量块组成的电容组。

7.如权利要求1所述的三轴MEMS陀螺仪，其特征在于，

所述第二检测部包括：

第一框架；

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；

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，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；

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。

8.如权利要求7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7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。

Images