一種三軸微機械陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種三軸微機械陀螺儀，包括基板和固定安裝在基板上的陀螺儀主體。其中陀螺儀主體包括平面檢測單元和z軸檢測單元，平面檢測單元包括支撐結構、驅動電極和第一質量塊；z軸檢測單元由兩個模塊組成，沿x軸以基板中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁、解耦梁、驅動梁、第二質量塊和檢測電極。本發明陀螺儀整體結構采用單驅動設計，采用梳齒電極驅動，平面內x軸和y軸通過平板電容檢測，z軸通過梳齒電容檢測，x、y和z軸均實現了驅動和檢測的解耦；本發明陀螺儀結構緊湊、制作工藝簡單、成本低廉、具有較高性能，能實現良好的測量精度和靈敏度。
【專利說明】一種三軸微機械陀螺儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微機械陀螺儀，尤其涉及一種單芯片單驅動三軸檢測微機械陀螺儀。屬于微機電系統(MEMS)領域。
【背景技術】
[0002]微機械陀螺儀是用于測量物體運動角速度的慣性器件，由于它采用MEMS技術設計和制作，因此具有體積小、質量輕、適合大批量生產和價格低廉的特點，廣泛應用于消費電子產品，如數碼相機圖像穩定、游戲機運動控制、智能手機、掌上電腦和微導航儀等新興產業上。
[0003]微機械陀螺儀包括驅動部分和檢測部分，通過驅動和檢測運動的耦合作用實現對運動角速度的測量；當陀螺處于驅動運動模態，并且在與驅動模態運動軸向垂直的第二方向有角速度輸入時，由于哥氏效應陀螺儀在檢測軸向產生檢測模態運動，通過測量檢測模態運動的位移，即刻測定物體的轉動角速度。隨著微機電陀螺技術的發展，高集成度、低成本的三軸測量陀螺滿足了現代消費電子產品的需求，成為微機電陀螺儀發展的趨勢。三軸陀螺儀一般是多個單軸或 兩軸陀螺儀正交裝配，或者將多個陀螺儀集成在單個基板上來實現，但這些都不能滿足消費電子產品對陀螺儀小型化的要求，并且要求的配套電路設計復雜，隨著技術的發展，高集成度微機械三軸陀螺儀必然會成為未來三軸陀螺儀的主流。
[0004]近年來國外已經已有公司發布了三軸微機械陀螺儀，如意法半導體發布了一種單驅動微機械三軸陀螺儀(美國專利:US20110154898A1 )，并成功實現應用。但在其發明結構中，由于彈性耦合梁和支撐梁采用分離設計，一方面使結構復雜化，增加了設計難度?’另一方面，由于結構復雜，相當于在陀螺設計中增加了潛在的誤差源，影響了陀螺儀的設計性能，不利于實現高精度測量。
[0005]本發明采用單結構設計，通過將彈性耦合梁和支撐梁進行整合從而簡化設計，采用靜電驅動和差動電容檢測工作方式，體積小，集成度高，功耗小,成本低,適合大批量生產，能實現良好的測量精度和靈敏度。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種單結構、單驅動三軸微機械陀螺儀，該陀螺儀簡化結構設計，結構緊湊、驅動方式簡單、成本低廉、適合大批量生產、具有較高性能，能實現良好的測量精度和靈敏度。
[0007]本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:
一種三軸微機械陀螺儀，包括基板和固定安裝在基板上的陀螺儀主體，其中陀螺儀主體包括平面檢測單元和z軸檢測單元，所述平面檢測單元包括支撐結構、驅動電極和第一質量塊；其中第一質量塊包括兩個沿I軸分布的X軸檢測質量塊(xl、x2)和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊(yl、y2)，且所述四個質量塊以基板中心點對稱分布；所述支撐結構與第一質量塊相連；驅動電極與第一質量塊連接；此外基板上對應第一質量塊的位置制作金屬層，形成平面檢測電極板；Z軸檢測單元由兩個模塊組成，沿X軸以基板中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁、解耦梁、驅動梁、第二質量塊和檢測電極；其中驅動梁一端連接第一質量塊，另一端連接第二質量塊；解耦梁分別連接第二質量塊和檢測電極；支撐梁一端連接檢測電極，另一端通過錨點固定在基板上。
[0008]在上述三軸微機械陀螺儀中，支撐結構包括四個支撐單元，每個支撐單元包括支撐梁A和支撐梁B，其中支撐梁A兩端分別連接相鄰的X軸質量塊和y軸質量塊，支撐梁B一端與支撐梁A連接，形成T型支撐單元，另一端通過錨點固定在基板上。
[0009]在上述三軸微機械陀螺儀中，驅動電極為四個，分別包括固定電極和可動電極，固定電極固置在基板上，可動電極與第一質量塊連接。
[0010]在上述三軸微機械陀螺儀中，檢測電極為四個，分別包括檢測固定電極和檢測活動電極，檢測固定電極固置在基板上，檢測活動電極連接支撐梁和解耦梁。
[0011]一種三軸微機械陀螺儀，包括基板和固定安裝在基板上的陀螺儀主體，其中陀螺儀主體包括平面檢測單元和Z軸檢測單元，所述平面檢測單元包括支撐結構、驅動電極和第一質量塊；其中第一質量塊包括兩個沿I軸分布的X軸檢測質量塊(xl、X2)和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊(yl、y2)，且所述四個質量塊以基板中心點對稱分布；所述支撐結構與第一質量塊相連；驅動電極與第一質量塊連接；此外基板上對應第一質量塊的位置制作金屬層，形成平面檢測電極板軸檢測單元由兩個模塊和聯動結構組成，其中兩個模塊沿X軸以基板中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁、解耦梁、驅動梁、第二質量塊和檢測電極；其中驅動梁一端連接第一質量塊，另一端連接第二質量塊；解耦梁分別連接第二質量塊和檢測電極；支撐梁一端連接檢測電極，另一端通過錨點固定在基板上；聯動結構與兩個模塊的檢測電極相連。
[0012]在上述三軸微機械陀螺儀中，支撐結構包括四個支撐單元，每個支撐單元包括支撐梁A和支撐梁B，其中支撐梁A兩端分別連接相鄰的X軸質量塊和y軸質量塊，支撐梁B一端與支撐梁A連接，形成T型支撐單元，另一端通過錨點固定在基板上。
[0013]在上述三軸微機械陀螺儀中，驅動電極為四個，分別包括固定電極和可動電極，固定電極固置在基板上，可動電極與第一質量塊連接。
[0014]在上述三軸微機械陀螺儀中，檢測電極為四個，分別包括檢測固定電極和檢測活動電極，檢測固定電極固置在基板上，檢測活動電極連接支撐梁、解耦梁和聯動結構。
[0015]在上述三軸微機械陀螺儀中，聯動結構包括聯動梁和聯動支撐梁，聯動梁兩端分別與z軸檢測單元的兩個模塊的檢測活動電極相連，聯動支撐梁一端段固置在基座上，另一端與聯動梁相連。
[0016]本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
(1)本發明陀螺儀為單結構微機械三軸陀螺儀，并且三軸通過相同驅動實現驅動，其結構緊湊，集成度高，驅動方式簡單，可大幅減小陀螺儀體積和重量，并且降低陀螺設計難度，使陀螺儀具有較廣的應用范圍；
(2)本發明陀螺儀各檢測軸采用電容差模檢測方式，提高了信號強度和信噪比，抑制了干擾信號，能實現良好的測量精度和靈敏度，
(3)本發明陀螺儀制作工藝簡單、成本低廉、具有較高性能，適合大批量生產。【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1和圖5為本發明單結構微機械三軸陀螺儀的立體結構示意圖。
[0018]圖2和圖6為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層的示意圖。
[0019]圖3為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層沿A-A剖面圖。
[0020]圖4為本發明單結構微機械三軸陀螺儀基板的主視圖。
[0021]圖7為本發明單結構微機械三軸陀螺儀驅動和z軸檢測運動示意圖。
[0022]圖8為本發明單結構微機械三軸陀螺儀平面檢測運動示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
如圖1和圖5所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀的立體結構示意圖，三軸陀螺儀包括基板I和固定安置在基板I上的陀螺儀結構2，陀螺儀結構2位于基板I的中央部位，包括平面檢測單元和z軸檢測單元，平面檢測單元和z軸檢測單元分布在結構層外圍，沿X軸或y軸方向對稱分布。
[0024]如圖2和圖6所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層的示意圖，由圖可知平面檢測單元包括支撐結構3、驅動電極4和第一質量塊5 ;其中第一質量塊包括兩個沿X軸分布的X軸質量塊(xl、x2)和兩個沿y軸分布的y軸質量塊(yl、y2),且所述四個質量塊以基板中心點對稱分布；平面X軸檢測質量塊xl和x2外形相同，沿y軸以基板中心點對稱分布，平面I軸檢測質量塊yl和12外形相同，沿X軸以基板中心點對稱分布。
[0025]支撐結構3包括四個支撐單元，每個支撐單元包括支撐梁A3a和支撐梁B3b，其中四個支撐梁A3a兩端分別依次連接相鄰的X軸質量塊和y軸質量塊，支撐梁B3b —端與支撐梁A3a中部連接，另一端通過錨點固定在基板I上。
[0026]驅動電極4為四個，分別沿X軸和y軸方向均有分布，并沿x軸和y軸以基板中心點對稱分布。驅動電極4包括固定電極4a和可動電極4b，固定電極4a固置在基板I上，可動電極4b與第一質量塊5連接。
[0027]如圖2所示的，z軸檢測單元由兩個模塊組成，沿X軸以基板(I)中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁7、解耦梁8、驅動梁9、第二質量塊10和檢測電極11 ;其中驅動梁9 一端連接第一質量塊5，另一端連接第二質量塊10 ;解耦梁8分別連接第二質量塊10和檢測電極11 ;支撐梁7 —端連接檢測電極11另一端通過錨點固定在基板I上。
[0028]檢測電極11為四個，平行于y軸在第二質量塊兩側分布，分別包括檢測固定電極Ilb和檢測活動電極11a，檢測固定電極Ilb固置在基板I上，檢測活動電極Ila連接支撐梁7和解耦梁8。如圖3所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層沿A-A剖面圖。
[0029]如圖6所示的，z軸檢測單元由兩個模塊和聯動結構組成，其中兩個模塊沿X軸以基板(I)中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁7、解耦梁8、驅動梁9、第二質量塊10和檢測電極11 ;其中驅動梁9 一端連接第一質量塊5，另一端連接第二質量塊10 ;解耦梁8分別連接第二質量塊10和檢測電極11 ;支撐梁7 —端連接檢測電極11另一端通過錨點固定在基板I上；聯動結構兩端分別與兩個模塊的檢測電極11相連。
[0030]檢測電極11為四個，平行于y軸在第二質量塊兩側分布，分別包括檢測固定電極Ilb和檢測活動電極11a，檢測固定電極Ilb固置在基板I上，檢測活動電極Ila連接支撐梁7、解耦梁8和聯動結構。
[0031]聯動結構包括聯動梁12和聯動支撐梁13，聯動梁12兩端分別與z軸檢測單元的兩個模塊的檢測活動電極相連，聯動支撐梁一段固置在基座I上，另一端與聯動梁(12)相連。
[0032]此外基板I上對應第一質量塊5的位置制作金屬層，形成平面檢測電極板6，如圖4所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀基板的主視圖。
[0033]本發明單結構微機械三軸陀螺儀，其運動方式如圖7和圖8所示，受力驅動時，X軸和I軸質量塊5做相向和相背運動，且X軸質量塊xl、X2相向運動時，y軸質量塊yl、y2相背運動，X軸質量塊xl、x2相背運動時，y軸質量塊yl、y2相向運動，z軸檢測質量塊10與相連接的平面檢測單元的質量塊5 —起運動。假設驅動運動速度為V，陀螺轉動角速度為W，根據陀螺儀工作原理，在X、y和z軸方向上質量塊哥氏加速度:x軸:
【權利要求】
1.一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:包括基板(I)和固定安裝在基板(I)上的陀螺儀主體(2)，其中陀螺儀主體(2)包括平面檢測單元和Z軸檢測單元；所述平面檢測單元包括支撐結構(3)、驅動電極(4)和第一質量塊(5)，其中第一質量塊(5)包括兩個沿y軸分布的X軸檢測質量塊(xl、x2)和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊(yl、y2),且所述四個質量塊以基板(I)中心點對稱分布，所述支撐結構(3)與第一質量塊(5)相連，所述驅動電極(4)與第一質量塊(5)連接，此外基板(I)上對應第一質量塊(5)的位置制作金屬層，形成平面檢測電極板(6);所述z軸檢測單元由兩個模塊組成，沿X軸以基板(I)中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁(7)、解耦梁(8)、驅動梁(9)、第二質量塊(10)和檢測電極(11)，其中驅動梁(9) 一端連接第一質量塊(5)，另一端連接第二質量塊(10)，解耦梁(8)分別連接第二質量塊(10)和檢測電極(11)，支撐梁(7)—端連接檢測電極(11)，另一端通過錨點固定在基板(I)上。
2.根據權利要求1所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:所述支撐結構(3)包括四個支撐單元，每個支撐單元包括支撐梁A (3a)和支撐梁B (3b)，其中支撐梁A (3a)兩端分別連接相鄰的X軸質量塊和y軸質量塊，支撐梁B (3b)—端與支撐梁A (3a)中部連接，另一端通過錨點固定在基板(I)上。
3.根據權利要求1所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:所述驅動電極(4)為四個，分別包括固定電極(4a)和可動電極(4b )，固定電極(4a)固置在基板(I)上，可動電極(4b)與第一質量塊(5)連接。
4.根據權利要求1所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:所述檢測電極(11)為四個，分別包括檢測固定電極(Ilb)和檢測活動電極(11a)，檢測固定電極(Ilb)固置在基板(I)上，檢測活動電極(I Ia)連接支撐梁(7 )和解耦梁(8 )。
5.一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:包括基板(I)和固定安裝在基板(I)上的陀螺儀主體(2)，其中陀螺儀主體(2)包括平面檢測單元和z軸檢測單元；所述平面檢測單元包括支撐結構(3)、驅動電極(4)和`第一質量塊(5)，其中第一質量塊(5)包括兩個沿y軸分布的X軸檢測質量塊(xl、x2)和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊(yl、y2)，且所述四個質量塊以基板(I)中心點對稱分布，所述支撐結構(3)與第一質量塊(5)相連，所述驅動電極(4)與第一質量塊(5 )連接，此外基板(I)上對應第一質量塊(5 )的位置制作金屬層，形成平面檢測電極板(6);所述z軸檢測單元由兩個檢測模塊和聯動結構組成，其中兩個檢測模塊沿X軸以基板(I)中心點對稱分布，每個模塊包括支撐梁(7)、解耦梁(8)、驅動梁(9)、第二質量塊(10)和檢測電極(11)，其中驅動梁(9)一端連接第一質量塊(5)，另一端連接第二質量塊(10)，解耦梁(8)分別連接第二質量塊(10)和檢測電極(11)，支撐梁(7)—端連接檢測電極(11)，另一端通過錨點固定在基板(I)上，聯動結構與兩個模塊的檢測電極(11)相連。
6.根據權利要求5所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:所述支撐結構(3)包括四個支撐單元，每個支撐單元包括支撐梁A (3a)和支撐梁B (3b)，其中支撐梁A (3a)兩端分別連接相鄰的X軸質量塊和y軸質量塊，支撐梁B (3b)—端與支撐梁A (3a)中部連接，另一端通過錨點固定在基板(I)上。
7.根據權利要求5所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:所述驅動電極(4)為四個，分別包括固定電極(4a)和可動電極(4b)，固定電極(4a)固置在基板(I)上，可動電極(4b)與第一質量塊(5)連接。
8.根據權利要求5所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特征在于:所述檢測電極(11)為四個，分別包括檢測固定電極(Ilb)和檢測活動電極(11a)，檢測固定電極(Ilb)固置在基板(I)上，檢測活動電極(Ila)連接支撐梁(7)、解耦梁(8)和聯動結構。
9.根據權利要求5所述的一種三軸微機電陀螺儀，其特征在于:所述聯動結構包括聯動梁(12)和聯動支撐梁(13)，聯動梁(12)兩端分別與z軸檢測單元的兩個模塊的檢測活動電極(Ila)相連，聯動支 撐梁一段固置在基座(I)上，另一端與聯動梁(12)相連。
【文檔編號】G01C19/5747GK103438878SQ201310417720
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月15日 優先權日:2013年9月15日
【發明者】滕金燕 申請人:滕金燕