CN202793402U - 四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底、四个质量块、驱动结构、检测结构和弹性连接结构；驱动结构包括驱动框架，驱动梳齿电极组和驱动反馈梳齿电极组，驱动梳齿电极组包括四组第一驱动齿和八组第二驱动齿，驱动反馈梳齿电极组分为四组，分别位于驱动框架的上下左右之外；四个质量块悬浮在衬底之上，分别位于驱动反馈梳齿电极组的外侧并对称分布；检测结构包括四组检测框架和四组检测梳齿电极组，四组检测框架浮在衬底之上也呈正方形排列，上述各个结构之间通过所述弹性连接结构连接。本实用新型的驱动框架和检测框架由相互独立的弹性梁约束，其运动只与质量块关联，它们之间的运动是相互独立的，实现了全解耦。

Description

四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪

技术领域

本实用新型涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，属于微机电***（MEMS）技术领域。

背景技术

微机械陀螺仪是利用科氏力来测量物体转动角速度的一类惯性传感器。和传统陀螺仪相比，微机械陀螺仪具有体积小，质量轻，价格低廉，更适合大批量生产等特点。传统陀螺仪，包括机械陀螺仪，激光陀螺仪，光纤陀螺仪等等，一直广范应用于飞行器稳定控制，武器导航制导，汽车安全等领域，由于这些陀螺仪体积大，成本高而不适合应用于消费类电子产品。近年来，随着MEMS技术的发展，微机械陀螺仪正逐渐应用于消费类电子产品，如数码相机的图像稳定，游戏机的控制手柄，手机功能控制以及和微加速度传感器构成的微导航仪等等。

微机械陀螺仪有两个工作模态：驱动模态和检测模态，两个模态之间的机械耦合是微机械陀螺仪的一个重要误差源。想要获得高性能的微机械陀螺仪，就必须要对两个工作模态进行解耦。解耦分为一级解耦和二级解耦（即全解耦）。一级解耦结构驱动（或检测）部分的运动是独立的，而检测（或驱动）部分的运动会受到影响。全解耦是驱动与检测运动完全独立，不互相影响。从目前国际上陀螺研究进展来看，几乎所有高性能陀螺仪均具备解耦结构，但大部分是单质量块或者双质量块的解耦，其检测模态的运动或多或少的依然会受到驱动模态的影响从而引起正交误差，从而限制器件性能。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何简单有效的解决微机械陀螺驱动模态和检测模态之间的机械耦合，以实现一种高性能的电容式微机械陀螺仪。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供一种电容式微机械陀螺仪，实现微机械陀螺仪在驱动模态和检测模态之间的机械解耦，以实现高性能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底、四个质量块、驱动结构、检测结构和弹性连接结构；所述驱动结构包括驱动框架，驱动梳齿电极组和驱动反馈梳齿电极组；所述驱动框架悬浮在所述衬底之上呈正方形排列，并且其中心与所述衬底中心重合；所述驱动梳齿电极组包括驱动活动梳齿电极和驱动固定梳齿电极；所述驱动反馈梳齿电极组包括驱动反馈活动梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极；所述驱动活动梳齿电极和驱动反馈活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架上，所述驱动固定梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极分别固定于所述衬底上；所述驱动梳齿电极组包括四组第一驱动齿和八组第二驱动齿；所述四组第一驱动齿分别沿从所述衬底中心出发的射线方向排列，分别位于正交的X轴和Y轴组成的正交坐标系的左上、右上、左下、右下45度的位置；所述八组第二驱动齿的其中两组分别位于其中一组所述第一驱动齿的两侧，也沿从所述衬底中心出发的射线方向排列并与第一驱动齿呈一固定的夹角的位置上；所述驱动反馈梳齿电极组分为四组，分别位于所述驱动框架的上、下、左、右之外，并对称设置；四个所述质量块悬浮在所述衬底之上，分别位于驱动框架的上、下、左、右四个方向并对称分布，分别位于所述驱动反馈梳齿电极组的外侧；所述检测结构包括四组检测框架和四组检测梳齿电极组，所述四组检测框架浮在所述衬底之上也呈正方形排列，所述检测梳齿电极组包括第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述第一活动梳齿电极连接在所述检测框架上，所述第一固定梳齿电极固定于衬底之上；所述弹性连接结构包括多个第一U型折叠梁、第二U型折叠梁、“中”字型折叠梁、第一L型折叠梁、第二L型折叠梁和U型脐带梁；所述四个质量块分别通过四个所述第一U型折叠梁和两个第二U型折叠梁与所述驱动框架、检测框架连接，其中，四个所述第一U型折叠梁悬浮在衬底之上，一端连接于所述检测框架的内侧，另一端连接于质量块的外侧；两个所述第二U型折叠梁悬浮在衬底之上，一端连接于所述质量块上端外侧，另一端连接于所述驱动框架的外侧；所述驱动框架通过四个所述“中”字型折叠梁与所述衬底连接，四个所述“中”字型折叠梁均布在所述驱动框架的内侧，其一端连接所述驱动框架，另一端通过第一锚点固定于所述衬底上；所述第一L型折叠梁为四个，分布于所述检测框架外侧的上、下、左、右四个位置，每个所述第一L型折叠梁的一端连接于检测框架的下端外侧，另一端通过第二锚点固定于所述衬底上；第二L型折叠梁也为四个，其一端连接于所述检测框架的上端外侧，另一端通过第三锚点固定于衬底上；所述U型脐带梁为四组，分别将相邻的检测框架相连以实现四个检测框架的同步收缩或者扩张。

作为优选，每组所述检测梳齿电极组等分为四小组，即依次为第一小组、第二小组、第三小组和第四小组；其中位于所述第二小组和第三小组的检测梳齿电极组成第一大组检测电容；位于所述第一小组和第四小组的多个检测梳齿电极组成第二大组检测电容；所述第一大组检测电容和第二大组检测电容组成差分电容对。

作为优选，所述夹角为22.5度。

与现有技术相比，本实用新型具有如下显著优点：

1、本实用新型的驱动框架和检测框架由相互独立的弹性梁约束，其运动只与质量块关联，它们之间的运动是相互独立的，即本实用新型具有全解耦结构，能够很好的抑制驱动模态和检测模态之间的机械耦合，从而抑制寄生效应，有效降低漂移。

2、本实用新型采用绕Z轴旋转的驱动方式，驱动时质量块朝同一方向运动，可以保证整个结构驱动模态运动的协调一致性。检测框架采用径向收缩—扩张的心跳型单一检测模式，可以保证整个结构驱动模态运动的协调一致性。

3、检测输出采用差分电容的差模输出，提高检测灵敏度，并可以抑制共模干扰信号对检测的影响，提高陀螺仪的检测精度。

附图说明

图1是本实用新型的陀螺仪的立体图；

图2是图1的主视图；

图3是图1所示的陀螺仪的驱动结构的立体图；

图4是图3的主视图；

图5是图1所示的陀螺仪的检测结构和质量块的立体图（其中一组检测结构和质量块）；

图6是图5的主视图；

图7是本实用新型的陀螺仪的工作原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本实用新型的实施方式。

如图1-图6所示，本实用新型实施例的四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底10、四个质量块21、驱动结构、检测结构和弹性连接结构；所述驱动结构包括驱动框架20，驱动梳齿电极组和驱动反馈梳齿电极组33；所述驱动框架20悬浮在所述衬底10之上并呈正方形排列，并且驱动框架20的中心与所述衬底10中心重合；所述驱动梳齿电极组包括驱动活动梳齿电极和驱动固定梳齿电极；所述驱动反馈梳齿电极组包括驱动反馈活动梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极；所述驱动活动梳齿电极和驱动反馈活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架20上，所述驱动固定梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极分别固定于所述衬底10上；所述驱动梳齿电极组包括四组第一驱动齿31和八组第二驱动齿32；所述四组第一驱动齿31分别沿从所述衬底10中心出发的射线方向排列，分别位于正交的X轴和Y轴组成的正交坐标系的左上、右上、左下、右下45度的位置；所述八组第二驱动齿32的其中两组分别位于其中一组所述第一驱动齿31的两侧，也沿从所述衬底10中心出发的射线方向排列并与第一驱动齿31呈一固定的夹角的位置上；本实施例中，该夹角为22.5度，使第二驱动齿32形成中心对称布置，并且第二驱动齿32形成以第一驱动齿31为对称轴的轴对称。

如图4所示，所述驱动反馈梳齿电极组27分为四组，分别位于所述驱动框架20的上、下、左、右之外，并对称设置；

如图2、图5和图6所示，四个所述质量块21悬浮在所述衬底10之上，分别位于驱动框架20的上、下、左、右四个方向并对称分布，分别位于所述驱动反馈梳齿电极组33的外侧；

如图2、图5和图6所示，所述检测结构包括四组检测框架22和四组检测梳齿电极组50，所述四组检测框架浮在所述衬底10之上也呈正方形排列，所述检测梳齿电极组50包括第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述第一活动梳齿电极连接在所述检测框架22上，所述第一固定梳齿电极固定于衬底10之上；

所述弹性连接结构包括多个第一U型折叠梁60、第二U型折叠梁61、“中”字型折叠梁30、第一L型折叠梁52、第二L型折叠梁53和U型脐带梁51；

如图2、图5和图6所示，所述四个质量块21分别通过四个所述第一U型折叠梁60和两个第二U型折叠梁61与所述驱动框架20、检测框架22连接，其中，四个所述第一U型折叠梁60悬浮在衬底10之上，一端连接于所述检测框架22的内侧，另一端连接于质量块21的外侧；两个所述第二U型折叠梁61悬浮在衬底10之上，一端连接于所述质量块21上端外侧，另一端连接于所述驱动框架20的外侧；

如图3、图4所示，所述驱动框架20通过四个所述“中”字型折叠梁30与所述衬底10连接，四个所述“中”字型折叠梁30均布在所述驱动框架20的内侧，并沿着X轴和Y轴的轴向设置，其一端连接所述驱动框架20，另一端通过第一锚点23固定于所述衬底10上，第一锚点23与衬底10的中心重合；

如图5、图6所示，所述第一L型折叠梁52为四个，分布于所述检测框架22外侧的上、下、左、右四个位置，每个所述第一L型折叠梁52的一端连接于检测框架22的下端外侧，另一端通过第二锚点25固定于所述衬底10上；第二L型折叠梁53也为四个，其一端连接于所述检测框架22的上端外侧，另一端通过第三锚点24固定于衬底10上；第一L型折叠梁52与第二L型折叠梁53相配合，实现检测框架22悬浮于衬底10之上。

如图6所示，所述U型脐带梁51为四组共八个，分别将相邻的检测框架22相连以实现四个检测框架22的同步收缩或者扩张。

图7是该陀螺仪的原理示意图，本实用新型的四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，采用绕Z轴旋转的轮式驱动模式，***在驱动框架作用下以一定的频率进行驱动，各轴质量块21的即时速度为V。当***受到Z轴角速度时,对应质量块21受到的科式力为：

,连接质量块21和驱动框架20的第二U型折叠梁61会发生相应的变形，导致质量块21会沿着驱动正交的方向运动，通过连接质量块21和检测框架22的第一U型折叠梁60带动检测框架22一起运动，连接检测框架22的第一L型折叠梁52和第二L型折叠梁53发生形变，导致检测框架22在水平和垂直方向上平动，连接检测框架22的U型脐带梁51的变形保证了各轴质量块21运动的一致性。

本发明为全解耦结构，其解耦原理如下：驱动框架20由于受到“中”字型折叠梁30的约束在沿Z轴旋转的驱动方向上自由度较大，在其他方向上自由度很小。质量块21由于受到第二U型折叠梁61的约束，在沿Z轴旋转的驱动方向上与驱动框架20的自由度保持一致。检测框架22由于受到第一L型折叠梁52与第二L型折叠梁53的约束，在沿Z轴旋转的驱动方向刚度很大而自由度很小，因此当驱动框架20和质量块21沿Z轴旋转的驱动方向运动时，检测框架22在此方向上几乎没有运动。因此本发明的驱动模态为驱动框架20和质量块21在沿Z轴旋转的驱动方向上做简谐运动，而检测框架22保持不动。同样原理，检测框架22由于受到第一L型折叠梁52与第二L型折叠梁53的约束，在水平和垂直的检测方向上刚度较小，而驱动框架20由于受到“中”型折叠梁30的约束在此方向上刚度很大，因此本发明的检测模态为检测框22在水平和垂直方向上平动，而驱动框架20保持不动；从而实现了驱动模态和检测模态之间的完全解耦。

作为优选，本实施例中，每组即每边上的所述检测梳齿电极组50为八个，等分为四小组，即依次为第一小组501、第二小组502、第三小组503和第四小组504，每一个小组内包括两个检测梳齿电极组50；

其中位于所述第二小组502和第三小组503的检测梳齿电极组成第一大组检测电容；位于所述第一小组501和第四小组504的四个检测梳齿电极组成第二大组检测电容；所述第一大组检测电容和第二大组检测电容组成差分电容对。当检测框架22在检测方向上平动时，其中一大组电容增大，另外一大组电容减小，形成差分电容输出，通过检测电路处理即可获得Z轴输入角速度的信息。

当然，以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，其特征在于，包括衬底、四个质量块、驱动结构、检测结构和弹性连接结构；

所述驱动结构包括驱动框架，驱动梳齿电极组和驱动反馈梳齿电极组；所述驱动框架悬浮在所述衬底之上呈正方形排列，并且其中心与所述衬底中心重合；所述驱动梳齿电极组包括驱动活动梳齿电极和驱动固定梳齿电极；所述驱动反馈梳齿电极组包括驱动反馈活动梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极；所述驱动活动梳齿电极和驱动反馈活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架上，所述驱动固定梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极分别固定于所述衬底上；

所述驱动梳齿电极组包括四组第一驱动齿和八组第二驱动齿；所述四组第一驱动齿分别沿从所述衬底中心出发的射线方向排列，分别位于正交的X轴和Y轴组成的正交坐标系的左上、右上、左下、右下45度的位置；所述八组第二驱动齿的其中两组分别位于其中一组所述第一驱动齿的两侧，也沿从所述衬底中心出发的射线方向排列并与第一驱动齿呈一固定的夹角的位置上；

所述驱动反馈梳齿电极组分为四组，分别位于所述驱动框架的上、下、左、右之外，并对称设置；

四个所述质量块悬浮在所述衬底之上，分别位于驱动框架的上、下、左、右四个方向并对称分布，分别位于所述驱动反馈梳齿电极组的外侧；

所述检测结构包括四组检测框架和四组检测梳齿电极组，所述四组检测框架浮在所述衬底之上也呈正方形排列，所述检测梳齿电极组包括第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述第一活动梳齿电极连接在所述检测框架上，所述第一固定梳齿电极固定于衬底之上；

所述弹性连接结构包括多个第一U型折叠梁、第二U型折叠梁、“中”字型折叠梁、第一L型折叠梁、第二L型折叠梁和U型脐带梁；

所述四个质量块分别通过四个所述第一U型折叠梁和两个第二U型折叠梁与所述驱动框架、检测框架连接，其中，四个所述第一U型折叠梁悬浮在衬底之上，一端连接于所述检测框架的内侧，另一端连接于质量块的外侧；两个所述第二U型折叠梁悬浮在衬底之上，一端连接于所述质量块上端外侧，另一端连接于所述驱动框架的外侧；

所述驱动框架通过四个所述“中”字型折叠梁与所述衬底连接，四个所述“中”字型折叠梁均布在所述驱动框架的内侧，其一端连接所述驱动框架，另一端通过第一锚点固定于所述衬底上；

所述第一L型折叠梁为四个，分布于所述检测框架外侧的上、下、左、右四个位置，每个所述第一L型折叠梁的一端连接于检测框架的下端外侧，另一端通过第二锚点固定于所述衬底上；

第二L型折叠梁也为四个，其一端连接于所述检测框架的上端外侧，另一端通过第三锚点固定于衬底上；

所述U型脐带梁为四组，分别将相邻的检测框架相连以实现四个检测框架的同步收缩或者扩张。

2.如权利要求1所述的四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，其特征在于，每组所述检测梳齿电极组等分为四小组，即依次为第一小组、第二小组、第三小组和第四小组；

其中位于所述第二小组和第三小组的检测梳齿电极组成第一大组检测电容；位于所述第一小组和第四小组的多个检测梳齿电极组成第二大组检测电容；所述第一大组检测电容和第二大组检测电容组成差分电容对。

3.如权利要求1或2所述的四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，其特征在于，所述夹角为22.5度。

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