CN102116622B

CN102116622B - 心跳型单结构三轴微机电陀螺仪

Info

Publication number: CN102116622B
Application number: CN201110037594A
Authority: CN
Inventors: 孙博华; 王琳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: CN102116622A

Abstract

本发明公开了一种心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底以及轴结构，所述的轴结构包括水平轴结构和z轴结构，所述的水平轴结构和z轴结构分别安装在所述衬底上，该陀螺仪采用径向收缩-扩张的心跳型单一驱动模式，各轴均使用独立的感应结构。水平轴结构沿x、y轴对称布置，z轴结构共四组，分布在水平轴结构之间并且两两对称，相邻的水平轴结构和z轴结构之间在外侧使用脐带连接，使得三轴结构获得单一驱动，每个水平轴的两个质量块用十字连接器相连，感应时可实现相位相反的同步运动，z轴四个质量块用四个同步协调器依次连接，可以实现质量块在感应时的同步运动。x、y、z轴三轴均实现驱动与检测的互相解耦。

Description

心跳型单结构三轴微机电陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种微机电陀螺仪，尤其涉及一种具有解耦特性的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，属于微机电系统(MEMS)领域。

背景技术

微机电陀螺仪是基于微机电系统的惯性器件，可用来测量运动物体的角速度。和传统陀螺仪相比，微机电陀螺仪具有体积小，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，微机电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。

微机电陀螺仪主要由驱动部分和感应部分组成，由于其设计和制造的复杂性，目前市场上出现的多为一轴和二轴陀螺仪，三轴陀螺仪的应用一般是多个一轴或二轴陀螺仪的正交装配，或者将多个陀螺仪集成在单个芯片上，这些都达不到消费电子类产品市场追求小型化的目的。开发单结构三轴陀螺仪，已经成为微机电陀螺仪研发的重要方向。

本发明采用单结构设计，整体采用类似于心跳方式的驱动，电容式静电驱动和电容差动输出，三轴均使用独立的感应结构，避免了各轴之间感应信号的相互耦合。结构紧促，减小了陀螺仪体积，适合大批量生产，可实现良好的测量精度和灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧促、成本低廉、制作工艺简单、具有较高品质因子、各轴之间的信号耦合可在结构上得到抑制、而且各轴都可以实现驱动和检测的运动解耦的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：一种心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底以及轴结构，其特征在于：所述的轴结构包括水平轴结构和z轴结构，所述的水平轴结构和z轴结构分别安装在所述衬底上，所述的水平轴结构用来测量x轴角速度和y轴角速度，所述的水平轴结构由四组水平轴分结构和位于水平轴分结构中心处并且分别与所述的四组水平轴分结构相连接的十字连接器组成，所述的四组水平轴分结构分别位于x轴和y轴的轴线上，呈对称状分布；所述的z轴结构用来测量z轴角速度，所述的z轴结构由四组z轴分结构和位于所述z轴分结构外侧的四个同步协调器组成，所述的四个同步协调器分别连接相邻的z轴分结构，所述的四组z轴分结构和所述的四组水平轴分结构交错分布，四组z轴分结构分别位于x轴和y轴构成的坐标轴的角分线上，呈对称状分布，所述的四组水平轴分结构和四组z轴分结构通过八条脐带依次连接。

所述四组水平轴分结构中的每一组水平轴分结构均包括水平轴驱动结构、水平轴感应结构和水平轴弹性结构，所述的水平轴驱动结构包括水平轴驱动支架和水平轴驱动梳齿电极组，所述的水平轴驱动支架悬浮在衬底上，所述水平轴驱动梳齿电极组包括水平轴活动梳齿电极和水平轴固定梳齿电极，水平轴活动梳齿电极连接在水平轴驱动支架上，水平轴固定梳齿电极固定于衬底上；所述的水平轴感应结构由水平轴质量块和下极板组成，所述的水平轴质量块悬浮于衬底之上，并且通过脐带与z轴分结构相连，所述的下极板位于水平轴质量块下方并且与水平轴质量块平行设置，所述的下极板也固定在衬底上；所述的水平轴弹性结构包括水平轴外侧弹簧机构、水平轴内侧弹簧机构、中心弹性铰链以及两个对称分布的侧翼弹性铰链，所述的水平轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述水平轴驱动支架的外侧，水平轴外侧弹簧机构的一端连接在水平轴驱动支架上，另一端通过锚点固定于衬底上，所述的水平轴内侧弹簧机构的一端连接于水平轴质量块的内侧，另一端和所述的十字连接器相连，所述中心弹性铰链和两个对称分布的侧翼弹性铰链的两端分别与水平轴质量块和水平轴驱动支架相连，所述的十字连接器包括十字连接梁和十字连接弹簧，所述的十字连接梁悬浮在衬底上，该十字连接梁与四组水平轴分结构的水平轴内侧弹簧机构连接，十字连接弹簧位于十字连接梁的中心，所述十字连接弹簧在x轴方向上与十字连接梁固定连接，在y轴方向上通过四个锚点固定在衬底上。

所述四组z轴分结构中的每一组z轴分结构均包括z轴驱动结构、z轴感应结构和z轴弹性结构，所述的z轴驱动结构括z轴驱动支架以及z轴驱动梳齿电极组，所述的z轴驱动支架悬浮在衬底上，所述的z轴驱动梳齿电极组共三组，一组位于z轴分结构的内侧，另两组对称分布于z轴分结构的外侧，每一组z轴驱动梳齿电极组均包括z轴驱动活动梳齿电极和z轴驱动固定梳齿电极，z轴驱动活动梳齿电极连接在所述的z轴驱动支架上，z轴固定梳齿电极固定于衬底上；所述的z轴感应结构由z轴质量块和z轴感应梳齿电极组构成，所述的z轴质量块悬浮于衬底之上，并且通过脐带与所述的水平轴质量块相连，所述的z轴感应梳齿电极组由z轴感应活动梳齿电极和z轴感应固定梳齿电极组成，z轴感应活动梳齿电极连接在z轴质量块上，z轴感应固定梳齿电极固定设置在衬底上；所述的z轴弹性结构包括z轴外侧弹簧机构、z轴内侧弹簧机构、中心弹性直梁以及两个对称分布的侧翼弹性折梁，所述的z轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述z轴驱动支架的外侧，所述z轴外侧弹簧机构的一端连接于z轴驱动支架，另一端通过锚点固定于衬底上，所述z轴内侧弹簧机构的一端连接于z轴驱动支架的内侧，另一端通过锚点固定于衬底上，所述中心弹性直梁和两个对称分布的侧翼弹性折梁的两端分别与所述的z轴质量块和z轴驱动支架相连，四个同步协调器在外围依次连接z轴质量块。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1)可实现三轴的单一驱动；2)实现三轴的单结构集成，结构紧促，制造工艺简单，适合大批量生产，价格低廉；2)各轴采用差模输出，增加了输出信号，提高了陀螺仪的灵敏度，抑制了干扰信号4)各轴之间感应信号在结构上实现无耦合；5)实现了各轴驱动和感应的完全解耦。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明陀螺仪的立体图；

图2是本发明陀螺仪的主视图；

图3是本发明陀螺仪中水平轴分结构的立体图；

图4是本发明陀螺仪中水平轴分结构的主视图；

图5是本发明陀螺仪中十字连接器的立体图

图6是本发明陀螺仪中十字连接器的主视图

图7是本发明陀螺仪中z轴分结构的立体图；

图8是本发明陀螺仪中z轴分结构的主视图；

图9是本发明陀螺仪中同步协调器的立体图；

图10是本发明陀螺仪中同步协调器的主视图；

图11是本发明陀螺仪中脐带的立体图；

图12是本发明陀螺仪中脐带的主视图；

图13是本发明陀螺仪的原理示意图。

具体实施方式

如图1至图12所示的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底10以及轴结构，轴结构包括水平轴结构和z轴结构，水平轴结构和z轴结构分别安装在衬底上，水平轴结构用来测量x轴角速度和y轴角速度，水平轴结构由四组水平轴分结构20和位于水平轴分结构中心处并且分别与四组水平轴分结构相连接的十字连接器30组成，四组水平轴分结构20分别位于x轴和y轴的轴线上，呈对称状分布；z轴结构用来测量z轴角速度，z轴结构由四组z轴分结构40和位于z轴分结构外侧的四个同步协调器50组成，四个同步协调器50分别连接相邻的z轴分结构，四组z轴分结构40和四组水平轴分结构20交错分布，四组z轴分结构40分别位于x轴和y轴构成的坐标轴的角分线上，呈对称状分布，四组水平轴分结构20和四组z轴分结构40通过八条脐带60依次连接，沿x轴分布的两个水平轴质量块用来感应y轴角速度，沿y轴分布的两个水平轴质量块用来感应x轴角速度。

所述四组水平轴分结构20中的每一组水平轴分结构均包括水平轴驱动结构、水平轴感应结构和水平轴弹性结构，水平轴驱动结构括水平轴驱动支架22和水平轴驱动梳齿电极组，水平轴驱动支架22悬浮在衬底10上，水平轴驱动梳齿电极组包括水平轴活动梳齿电极23和水平轴固定梳齿电极24，水平轴活动梳齿电极23连接在水平轴驱动支架22上，水平轴固定梳齿电极24固定于衬底10上；水平轴感应结构由水平轴质量块21和下极板25组成，水平轴质量块21上设置有微孔，用以减少空气阻尼，水平轴质量块21悬浮于衬底10之上，并且通过脐带与z轴分结构相连，下极板25位于水平轴质量块21下方并且与水平轴质量块21平行设置，下极板25也固定在衬底10上，下极板25的边界在水平轴质量块21的z轴方向投影之内；水平轴弹性结构包括水平轴外侧弹簧机构26、水平轴内侧弹簧机构27、中心弹性铰链28以及两个对称分布的侧翼弹性铰链29。水平轴外侧弹簧机构26共两组，均位于水平轴驱动支架22的外侧，水平轴外侧弹簧机构26的一端对称连接在水平轴驱动支架22，另一端通过锚点固定于衬底10上。水平轴内侧弹簧机构27的一端连接于水平轴质量块21的内侧，另一端和十字连接器30相连。中心弹性铰链28和两个对称分布的侧翼弹性铰链29的两端分别与水平轴质量块21和水平轴驱动支架22，用于连接水平轴质量块21和水平轴驱动支架22。十字连接器30位于四组水平轴分结构的中心，它包括十字连接梁31和十字连接弹簧32，十字连接梁31悬浮在衬底10上，该十字连接梁与四组水平轴分结构20的水平轴内侧弹簧机构27连接，十字连接弹簧32位于十字连接梁31的中心，十字连接弹簧32在x轴方向上与十字连接梁31固定连接，在y轴方向上通过四个锚点固定在衬底10上。

所述四组z轴分结构40中的每一组z轴分结构40均包括z轴驱动结构、z轴感应结构和z轴弹性结构，z驱动结构括z轴驱动支架42以及z轴驱动梳齿电极组，z轴驱动支架42悬浮在衬底10上，z轴驱动梳齿电极组共三组，一组位于z轴分结构的内侧，另两组对称分布于z轴分结构的外侧，每一组z轴驱动梳齿电极组均包括z轴驱动活动梳齿电极43和z轴驱动固定梳齿电极44，z轴驱动活动梳齿电极43连接在z轴驱动支架42上，z轴驱动固定梳齿电极44固定于衬底10上。z轴感应结构由z轴质量块41和z轴感应梳齿电极组构成，z轴质量块41悬浮于衬底10之上，并且通过脐带60与水平轴质量块21相连，z轴质量块41上设置有微孔，用以减少空气阻尼。z轴感应梳齿电极组由z轴感应活动梳齿电极45和z轴感应固定梳齿电极46组成，z轴感应活动梳齿电极45连接在z轴质量块41上，z轴感应固定梳齿电极46固定设置在衬底10上。z轴弹性结构包括z轴外侧弹簧机构47、z内侧弹簧机构48、中心弹性直梁49以及两个对称分布的侧翼弹性折梁410。z轴外侧弹簧机构47共两组，均位于z轴驱动支架42的外侧，z轴外侧弹簧机构47的一端对称连接于z轴驱动支架42，另一端通过锚点固定于衬底。z轴内侧弹簧机构48的一端连接于z轴驱动支架42的内侧，另一端通过锚点固定于衬底10上。一个中心弹性直梁49和两个对称分布的侧翼弹性折梁410的两端分别与z轴质量块41和z轴驱动支架42相连，用于连接z轴质量块41和z轴驱动支架42。四个同步协调器50在外围依次连接z轴质量块。

八个脐带60将相邻的水平轴分结构20和z轴分结构40连接起来，可以实现单一驱动时的水平轴轴质量块和z轴质量块的同步收缩或扩张。

本发明的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，采用从中心向外部扩张收缩的类似于心跳的驱动模式，这样各轴的驱动方式是线振动，图13是该陀螺仪的原理示意图。系统在水平轴驱动结构和z轴驱动结构的共同作用下以一定的频率进行驱动，各轴质量块整体上呈心跳型的运动，水平轴和z轴的内外侧弹簧机构会做相应的变形，脐带的变形保证了各轴质量块运动的一致性，这样各轴质量块的即时速度为V。当系统受到x轴角速度时，对应水平轴的两对质量块受到的哥式力为：F_x＝-2m_xΩ_x×V，大小相等，方向相反，中心弹性铰链，侧翼弹性铰链和水平轴内侧弹簧机构会做相应的变形，这样两个对称的质量块会做相位相反的跷跷板运动，十字连接器保证了两质量块的运动步调一致。这样一侧的感应电容增加，另一侧的感应电容减小，可以实现差动输出。y轴情况和x轴相同。当系统受到z轴角速度时可以，z轴结构各质量块受到同为顺时针或同为逆时针方向的哥氏力，F_z＝-2m_zΩ_z×V这样各个z轴分结构中的中心弹性直梁，侧翼弹性折梁会做相应的变形，各个z轴质量块会做同位顺时针或同位逆时针的平动，同步协调器保证了四个质量块运动的一致性。每个z轴分结构的感应结构中的z轴感应活动梳齿电极的每个梳齿位于两个固定梳齿之间，与这两个相邻的固定梳齿形成两个电容，这样在质量块运动时，一个电容增加，一个电容减小，由此整体上形成差动电容输出。在驱动时，水平轴质量块和下极板的正对面积不变，z轴感应固定梳齿电极和z轴感应活动梳齿电极的正对面积也不变，所以都没有信号输出，因此，驱动对感应信号没有影响。水平轴结构或z轴结构感应时，水平轴驱动支架和z轴驱动支架没有相应的运动，因此，感应对驱动没有影响。由此实现驱动和感应的全解耦。各轴质量块只对对应轴的角速度有感应，这在结构上得到了保证，由此实现轴之间的信号耦合抑制。

以上只是本发明的一个最佳实施例，本领域的技术人员有可能在不脱离本发明的保护范围内对该设计作出更改或者变动，但这些应当理解为仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，它包括衬底以及轴结构，其特征在于：所述的轴结构包括水平轴结构和z轴结构，所述的水平轴结构和z轴结构分别安装在所述衬底上，所述的水平轴结构用来测量x轴角速度和y轴角速度，所述的水平轴结构由四组水平轴分结构和位于水平轴分结构中心处并且分别与所述的四组水平轴分结构相连接的十字连接器组成，所述的四组水平轴分结构分别位于x轴和y轴的轴线上，呈对称状分布；所述的z轴结构用来测量z轴角速度，所述的z轴结构由四组z轴分结构和位于所述z轴分结构外侧的四个同步协调器组成，所述的四个同步协调器分别连接相邻的z轴分结构，所述的四组z轴分结构和所述的四组水平轴分结构交错分布，四组z轴分结构分别位于x轴和y轴构成的坐标轴的二等角分线上，呈对称状分布，所述的四组水平轴分结构和四组z轴分结构通过八条脐带依次连接，所述四组水平轴分结构中的每一组水平轴分结构均包括水平轴驱动结构、水平轴感应结构和水平轴弹性结构，所述的水平轴驱动结构包括水平轴驱动支架和水平轴驱动梳齿电极组，所述的水平轴驱动支架悬浮在衬底上，所述水平轴驱动梳齿电极组包括水平轴活动梳齿电极和水平轴固定梳齿电极，水平轴活动梳齿电极连接在水平轴驱动支架上，水平轴固定梳齿电极固定于衬底上；所述的水平轴感应结构由水平轴质量块和下极板组成，所述的水平轴质量块悬浮于衬底之上，并且通过脐带与z轴分结构相连，所述的下极板位于水平轴质量块下方并且与水平轴质量块平行设置，所述的下极板也固定在衬底上；所述的水平轴弹性结构包括水平轴外侧弹簧机构、水平轴内侧弹簧机构、中心弹性铰链以及两个对称分布的侧翼弹性铰链，所述的水平轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述水平轴驱动支架的外侧，水平轴外侧弹簧机构的一端连接在水平轴驱动支架上，另一端通过锚点固定于衬底上，所述的水平轴内侧弹簧机构的一端连接于水平轴质量块的内侧，另一端和所述的十字连接器相连，所述中心弹性铰链和两个对称分布的侧翼弹性铰链的两端分别与水平轴质量块和水平轴驱动支架相连，所述的十字连接器包括十字连接梁和十字连接弹簧，所述的十字连接梁悬浮在衬底上，该十字连接梁与四组水平轴分结构的水平轴内侧弹簧机构连接，十字连接弹簧位于十字连接梁的中心，所述十字连接弹簧在x轴方向上与十字连接梁固定连接，在y轴方向上通过四个锚点固定在衬底上。

2.如权利要求1所述的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述的水平轴质量块上设置有微孔，用以减少空气阻尼。

3.如权利要求1所述的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述下极板的边界在水平轴质量块的z轴方向投影之内。

4.如权利要求1或2或3所述的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述四组z轴分结构中的每一组z轴分结构均包括z轴驱动结构、z轴感应结构和z轴弹性结构，所述的z轴驱动结构括z轴驱动支架以及z轴驱动梳齿电极组，所述的z轴驱动支架悬浮在衬底上，所述的z轴驱动梳齿电极组共三组，一组位于z轴分结构的内侧，另两组对称分布于z轴分结构的外侧，每一组z轴驱动梳齿电极组均包括z轴驱动活动梳齿电极和z轴驱动固定梳齿电极，z轴驱动活动梳齿电极连接在所述的z轴驱动支架上，z轴固定梳齿电极固定于衬底上；所述的z轴感应结构由z轴质量块和z轴感应梳齿电极组构成，所述的z轴质量块悬浮于衬底之上，并且通过脐带与所述的水平轴质量块相连，所述的z轴感应梳齿电极组由z轴感应活动梳齿电极和z轴感应固定梳齿电极组成，z轴感应活动梳齿电极连接在z轴质量块上，z轴感应固定梳齿电极固定设置在衬底上；所述的z轴弹性结构包括z轴外侧弹簧机构、z轴内侧弹簧机构、中心弹性直梁以及两个对称分布的侧翼弹性折梁，所述的z轴外侧弹簧机构共两组，均位于所述z轴驱动支架的外侧，所述z轴外侧弹簧机构的一端连接于z轴驱动支架，另一端通过锚点固定于衬底上，所述z轴内侧弹簧机构的一端连接于z轴驱动支架的内侧，另一端通过锚点固定于衬底上，所述中心弹性直梁和两个对称分布的侧翼弹性折梁的两端分别与所述的z轴质量块和z轴驱动支架相连，四个同步协调器在外围依次连接z轴质量块。

5.如权利要求4所述的心跳型单结构三轴微机电陀螺仪，其特征在于：所述的z轴质量块上设置有微孔，用以减少空气阻尼。