一种三轴微机械陀螺仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种三轴微机械陀螺仪，包括基板和固定安装在基板上的陀螺仪主体。其中陀螺仪主体包括平面检测单元和z轴检测单元，平面检测单元包括支撑结构、驱动电极和第一质量块；z轴检测单元由两个模块组成，沿x轴以基板中心点对称分布，每个模块包括支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极。本发明陀螺仪整体结构采用单驱动设计，采用梳齿电极驱动，平面内x轴和y轴通过平板电容检测，z轴通过梳齿电容检测，x、y和z轴均实现了驱动和检测的解耦；本发明陀螺仪结构紧凑、制作工艺简单、成本低廉、具有较高性能，能实现良好的测量精度和灵敏度。
【专利说明】一种三轴微机械陀螺仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种单芯片单驱动三轴检测微机械陀螺仪。属于微机电系统(MEMS)领域。
【背景技术】
[0002]微机械陀螺仪是用于测量物体运动角速度的惯性器件，由于它采用MEMS技术设计和制作，因此具有体积小、质量轻、适合大批量生产和价格低廉的特点，广泛应用于消费电子产品，如数码相机图像稳定、游戏机运动控制、智能手机、掌上电脑和微导航仪等新兴产业上。
[0003]微机械陀螺仪包括驱动部分和检测部分，通过驱动和检测运动的耦合作用实现对运动角速度的测量；当陀螺处于驱动运动模态，并且在与驱动模态运动轴向垂直的第二方向有角速度输入时，由于哥氏效应陀螺仪在检测轴向产生检测模态运动，通过测量检测模态运动的位移，即刻测定物体的转动角速度。随着微机电陀螺技术的发展，高集成度、低成本的三轴测量陀螺满足了现代消费电子产品的需求，成为微机电陀螺仪发展的趋势。三轴陀螺仪一般是多个单轴或 两轴陀螺仪正交装配，或者将多个陀螺仪集成在单个基板上来实现，但这些都不能满足消费电子产品对陀螺仪小型化的要求，并且要求的配套电路设计复杂，随着技术的发展，高集成度微机械三轴陀螺仪必然会成为未来三轴陀螺仪的主流。
[0004]近年来国外已经已有公司发布了三轴微机械陀螺仪，如意法半导体发布了一种单驱动微机械三轴陀螺仪(美国专利:US20110154898A1 )，并成功实现应用。但在其发明结构中，由于弹性耦合梁和支撑梁采用分离设计，一方面使结构复杂化，增加了设计难度?’另一方面，由于结构复杂，相当于在陀螺设计中增加了潜在的误差源，影响了陀螺仪的设计性能，不利于实现高精度测量。
[0005]本发明采用单结构设计，通过将弹性耦合梁和支撑梁进行整合从而简化设计，采用静电驱动和差动电容检测工作方式，体积小，集成度高，功耗小,成本低,适合大批量生产，能实现良好的测量精度和灵敏度。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种单结构、单驱动三轴微机械陀螺仪，该陀螺仪简化结构设计，结构紧凑、驱动方式简单、成本低廉、适合大批量生产、具有较高性能，能实现良好的测量精度和灵敏度。
[0007]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种三轴微机械陀螺仪，包括基板和固定安装在基板上的陀螺仪主体，其中陀螺仪主体包括平面检测单元和z轴检测单元，所述平面检测单元包括支撑结构、驱动电极和第一质量块；其中第一质量块包括两个沿I轴分布的X轴检测质量块(xl、x2)和两个沿X轴分布的y轴检测质量块(yl、y2)，且所述四个质量块以基板中心点对称分布；所述支撑结构与第一质量块相连；驱动电极与第一质量块连接；此外基板上对应第一质量块的位置制作金属层，形成平面检测电极板；Z轴检测单元由两个模块组成，沿X轴以基板中心点对称分布，每个模块包括支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极；其中驱动梁一端连接第一质量块，另一端连接第二质量块；解耦梁分别连接第二质量块和检测电极；支撑梁一端连接检测电极，另一端通过锚点固定在基板上。
[0008]在上述三轴微机械陀螺仪中，支撑结构包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A和支撑梁B，其中支撑梁A两端分别连接相邻的X轴质量块和y轴质量块，支撑梁B一端与支撑梁A连接，形成T型支撑单元，另一端通过锚点固定在基板上。
[0009]在上述三轴微机械陀螺仪中，驱动电极为四个，分别包括固定电极和可动电极，固定电极固置在基板上，可动电极与第一质量块连接。
[0010]在上述三轴微机械陀螺仪中，检测电极为四个，分别包括检测固定电极和检测活动电极，检测固定电极固置在基板上，检测活动电极连接支撑梁和解耦梁。
[0011]一种三轴微机械陀螺仪，包括基板和固定安装在基板上的陀螺仪主体，其中陀螺仪主体包括平面检测单元和Z轴检测单元，所述平面检测单元包括支撑结构、驱动电极和第一质量块；其中第一质量块包括两个沿I轴分布的X轴检测质量块(xl、X2)和两个沿X轴分布的y轴检测质量块(yl、y2)，且所述四个质量块以基板中心点对称分布；所述支撑结构与第一质量块相连；驱动电极与第一质量块连接；此外基板上对应第一质量块的位置制作金属层，形成平面检测电极板轴检测单元由两个模块和联动结构组成，其中两个模块沿X轴以基板中心点对称分布，每个模块包括支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极；其中驱动梁一端连接第一质量块，另一端连接第二质量块；解耦梁分别连接第二质量块和检测电极；支撑梁一端连接检测电极，另一端通过锚点固定在基板上；联动结构与两个模块的检测电极相连。
[0012]在上述三轴微机械陀螺仪中，支撑结构包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A和支撑梁B，其中支撑梁A两端分别连接相邻的X轴质量块和y轴质量块，支撑梁B一端与支撑梁A连接，形成T型支撑单元，另一端通过锚点固定在基板上。
[0013]在上述三轴微机械陀螺仪中，驱动电极为四个，分别包括固定电极和可动电极，固定电极固置在基板上，可动电极与第一质量块连接。
[0014]在上述三轴微机械陀螺仪中，检测电极为四个，分别包括检测固定电极和检测活动电极，检测固定电极固置在基板上，检测活动电极连接支撑梁、解耦梁和联动结构。
[0015]在上述三轴微机械陀螺仪中，联动结构包括联动梁和联动支撑梁，联动梁两端分别与z轴检测单元的两个模块的检测活动电极相连，联动支撑梁一端段固置在基座上，另一端与联动梁相连。
[0016]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明陀螺仪为单结构微机械三轴陀螺仪，并且三轴通过相同驱动实现驱动，其结构紧凑，集成度高，驱动方式简单，可大幅减小陀螺仪体积和重量，并且降低陀螺设计难度，使陀螺仪具有较广的应用范围；
(2)本发明陀螺仪各检测轴采用电容差模检测方式，提高了信号强度和信噪比，抑制了干扰信号，能实现良好的测量精度和灵敏度，
(3)本发明陀螺仪制作工艺简单、成本低廉、具有较高性能，适合大批量生产。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1和图5为本发明单结构微机械三轴陀螺仪的立体结构示意图。
[0018]图2和图6为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层的示意图。
[0019]图3为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层沿A-A剖面图。
[0020]图4为本发明单结构微机械三轴陀螺仪基板的主视图。
[0021]图7为本发明单结构微机械三轴陀螺仪驱动和z轴检测运动示意图。
[0022]图8为本发明单结构微机械三轴陀螺仪平面检测运动示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
如图1和图5所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪的立体结构示意图，三轴陀螺仪包括基板I和固定安置在基板I上的陀螺仪结构2，陀螺仪结构2位于基板I的中央部位，包括平面检测单元和z轴检测单元，平面检测单元和z轴检测单元分布在结构层外围，沿X轴或y轴方向对称分布。
[0024]如图2和图6所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层的示意图，由图可知平面检测单元包括支撑结构3、驱动电极4和第一质量块5 ;其中第一质量块包括两个沿X轴分布的X轴质量块(xl、x2)和两个沿y轴分布的y轴质量块(yl、y2),且所述四个质量块以基板中心点对称分布；平面X轴检测质量块xl和x2外形相同，沿y轴以基板中心点对称分布，平面I轴检测质量块yl和12外形相同，沿X轴以基板中心点对称分布。
[0025]支撑结构3包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A3a和支撑梁B3b，其中四个支撑梁A3a两端分别依次连接相邻的X轴质量块和y轴质量块，支撑梁B3b —端与支撑梁A3a中部连接，另一端通过锚点固定在基板I上。
[0026]驱动电极4为四个，分别沿X轴和y轴方向均有分布，并沿x轴和y轴以基板中心点对称分布。驱动电极4包括固定电极4a和可动电极4b，固定电极4a固置在基板I上，可动电极4b与第一质量块5连接。
[0027]如图2所示的，z轴检测单元由两个模块组成，沿X轴以基板(I)中心点对称分布，每个模块包括支撑梁7、解耦梁8、驱动梁9、第二质量块10和检测电极11 ;其中驱动梁9 一端连接第一质量块5，另一端连接第二质量块10 ;解耦梁8分别连接第二质量块10和检测电极11 ;支撑梁7 —端连接检测电极11另一端通过锚点固定在基板I上。
[0028]检测电极11为四个，平行于y轴在第二质量块两侧分布，分别包括检测固定电极Ilb和检测活动电极11a，检测固定电极Ilb固置在基板I上，检测活动电极Ila连接支撑梁7和解耦梁8。如图3所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪结构层沿A-A剖面图。
[0029]如图6所示的，z轴检测单元由两个模块和联动结构组成，其中两个模块沿X轴以基板(I)中心点对称分布，每个模块包括支撑梁7、解耦梁8、驱动梁9、第二质量块10和检测电极11 ;其中驱动梁9 一端连接第一质量块5，另一端连接第二质量块10 ;解耦梁8分别连接第二质量块10和检测电极11 ;支撑梁7 —端连接检测电极11另一端通过锚点固定在基板I上；联动结构两端分别与两个模块的检测电极11相连。
[0030]检测电极11为四个，平行于y轴在第二质量块两侧分布，分别包括检测固定电极Ilb和检测活动电极11a，检测固定电极Ilb固置在基板I上，检测活动电极Ila连接支撑梁7、解耦梁8和联动结构。
[0031]联动结构包括联动梁12和联动支撑梁13，联动梁12两端分别与z轴检测单元的两个模块的检测活动电极相连，联动支撑梁一段固置在基座I上，另一端与联动梁(12)相连。
[0032]此外基板I上对应第一质量块5的位置制作金属层，形成平面检测电极板6，如图4所示为本发明单结构微机械三轴陀螺仪基板的主视图。
[0033]本发明单结构微机械三轴陀螺仪，其运动方式如图7和图8所示，受力驱动时，X轴和I轴质量块5做相向和相背运动，且X轴质量块xl、X2相向运动时，y轴质量块yl、y2相背运动，X轴质量块xl、x2相背运动时，y轴质量块yl、y2相向运动，z轴检测质量块10与相连接的平面检测单元的质量块5 —起运动。假设驱动运动速度为V，陀螺转动角速度为W，根据陀螺仪工作原理，在X、y和z轴方向上质量块哥氏加速度:x轴:
【权利要求】
1.一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:包括基板(I)和固定安装在基板(I)上的陀螺仪主体(2)，其中陀螺仪主体(2)包括平面检测单元和Z轴检测单元；所述平面检测单元包括支撑结构(3)、驱动电极(4)和第一质量块(5)，其中第一质量块(5)包括两个沿y轴分布的X轴检测质量块(xl、x2)和两个沿X轴分布的y轴检测质量块(yl、y2),且所述四个质量块以基板(I)中心点对称分布，所述支撑结构(3)与第一质量块(5)相连，所述驱动电极(4)与第一质量块(5)连接，此外基板(I)上对应第一质量块(5)的位置制作金属层，形成平面检测电极板(6);所述z轴检测单元由两个模块组成，沿X轴以基板(I)中心点对称分布，每个模块包括支撑梁(7)、解耦梁(8)、驱动梁(9)、第二质量块(10)和检测电极(11)，其中驱动梁(9) 一端连接第一质量块(5)，另一端连接第二质量块(10)，解耦梁(8)分别连接第二质量块(10)和检测电极(11)，支撑梁(7)—端连接检测电极(11)，另一端通过锚点固定在基板(I)上。
2.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:所述支撑结构(3)包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A (3a)和支撑梁B (3b)，其中支撑梁A (3a)两端分别连接相邻的X轴质量块和y轴质量块，支撑梁B (3b)—端与支撑梁A (3a)中部连接，另一端通过锚点固定在基板(I)上。
3.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:所述驱动电极(4)为四个，分别包括固定电极(4a)和可动电极(4b )，固定电极(4a)固置在基板(I)上，可动电极(4b)与第一质量块(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:所述检测电极(11)为四个，分别包括检测固定电极(Ilb)和检测活动电极(11a)，检测固定电极(Ilb)固置在基板(I)上，检测活动电极(I Ia)连接支撑梁(7 )和解耦梁(8 )。
5.一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:包括基板(I)和固定安装在基板(I)上的陀螺仪主体(2)，其中陀螺仪主体(2)包括平面检测单元和z轴检测单元；所述平面检测单元包括支撑结构(3)、驱动电极(4)和`第一质量块(5)，其中第一质量块(5)包括两个沿y轴分布的X轴检测质量块(xl、x2)和两个沿X轴分布的y轴检测质量块(yl、y2)，且所述四个质量块以基板(I)中心点对称分布，所述支撑结构(3)与第一质量块(5)相连，所述驱动电极(4)与第一质量块(5 )连接，此外基板(I)上对应第一质量块(5 )的位置制作金属层，形成平面检测电极板(6);所述z轴检测单元由两个检测模块和联动结构组成，其中两个检测模块沿X轴以基板(I)中心点对称分布，每个模块包括支撑梁(7)、解耦梁(8)、驱动梁(9)、第二质量块(10)和检测电极(11)，其中驱动梁(9)一端连接第一质量块(5)，另一端连接第二质量块(10)，解耦梁(8)分别连接第二质量块(10)和检测电极(11)，支撑梁(7)—端连接检测电极(11)，另一端通过锚点固定在基板(I)上，联动结构与两个模块的检测电极(11)相连。
6.根据权利要求5所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:所述支撑结构(3)包括四个支撑单元，每个支撑单元包括支撑梁A (3a)和支撑梁B (3b)，其中支撑梁A (3a)两端分别连接相邻的X轴质量块和y轴质量块，支撑梁B (3b)—端与支撑梁A (3a)中部连接，另一端通过锚点固定在基板(I)上。
7.根据权利要求5所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:所述驱动电极(4)为四个，分别包括固定电极(4a)和可动电极(4b)，固定电极(4a)固置在基板(I)上，可动电极(4b)与第一质量块(5)连接。
8.根据权利要求5所述的一种三轴微机械陀螺仪，其特征在于:所述检测电极(11)为四个，分别包括检测固定电极(Ilb)和检测活动电极(11a)，检测固定电极(Ilb)固置在基板(I)上，检测活动电极(Ila)连接支撑梁(7)、解耦梁(8)和联动结构。
9.根据权利要求5所述的一种三轴微机电陀螺仪，其特征在于:所述联动结构包括联动梁(12)和联动支撑梁(13)，联动梁(12)两端分别与z轴检测单元的两个模块的检测活动电极(Ila)相连，联动支 撑梁一段固置在基座(I)上，另一端与联动梁(12)相连。
【文档编号】G01C19/5747GK103438878SQ201310417720
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月15日 优先权日:2013年9月15日
【发明者】滕金燕 申请人:滕金燕