微机电可变形结构和三轴多自由度微机电陀螺仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种三轴多自由度微机电陀螺仪，包括：内框架、中间框架、外框架，以及位于内框架内部的联动部；位于中央的环形检测电容，环形上极板的外沿与联动部连接；两组驱动电容，对称分布在所述外框架平行于x轴的两侧；两组第二检测电容，对称分布在所述外框架平行于y轴的两侧。本实用新型的三轴多自由度微机电陀螺仪采用单结构设计，电容式静电驱动和差动电容检测，驱动方式简单，结构紧凑，有利于减小陀螺仪体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，能够实现良好的测量精度和灵敏度。
【专利说明】微机电可变形结构和三轴多自由度微机电陀螺仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及微机电技术，具体涉及一种微机电可变形结构以及一种三轴多自由度微机电陀螺仪。
【背景技术】
[0002]微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System)，简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴科学技术。
[0003]在微机电测量技术中，经常需要用到可变形的连接结构，其设计关系着测量方案的可实施性，其灵敏度也关系着测量的准确性。
[0004]微机电陀螺仪是基于MEMS技术的惯性器件，用于测量物体运动的角速度。它具有体积小，可靠性高，成本低廉，适合大批量生产的特点，因此具有广阔的市场前景，可应用于包括消费电子、航空航天、汽车、医疗设备和武器在内的广泛领域。
[0005]微机电陀螺仪系统通常包括驱动部分和检测部分，其设计具有一定的复杂性，尤其是涉及三轴同时测量的微机电陀螺仪时。目前三轴陀螺仪主要通过将三个单轴陀螺仪或者将一个Z轴陀螺仪和一个平面检测陀螺仪进行正交配置的设计方式来实现，但是这种组合的方式不利于器件的小型化，因此开发单结构的三轴陀螺仪已经成为现今微机电陀螺仪设计研发的重要方向。开发单结构的三轴陀螺仪时，更加需要一种结构紧凑，体积减小，以及灵敏度高的可变形连接结构。
[0006]此外，微机电陀螺仪的性能受环境和工艺因素影响很大:当环境温度变化时，陀螺仪敏感结构动态特性发生变化，导致驱动和检测模态的固有频率发生偏移，从而改变了驱动和检测模态的匹配性，导致在不同环境温度下陀螺仪性能的差异化。而当加工工艺存在误差时，陀螺仪的实际动态特性也会与设计参数之间产生较大偏差，影响陀螺仪设计性能的实现。因此，微机电陀螺仪在设计阶段增强其设计的健壮性也成为微机电陀螺仪研发的重要内容。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于提供一种结构简单易实现且灵敏度高的微机电可变形结构，以及一种单结构设计的受温度及加工工艺误差影响小的三轴多自由度微机电陀螺仪，为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0008]一种微机电可变形结构，包括:基板；位于所述基板上的同中心的三层矩形框架，从内向外依次为内框架、包围所述内框架的中间框架、以及包围所述中间框架的外框架，所述中心处为原点，所述内框架、中间框架、以及外框架各有两条边平行于X轴，另外两条边平行于I轴；所述外框架和所述中间框架之间通过第一解耦梁连接，所述第一解耦梁设置于所述中间框架平行于y轴的两侧；所述中间框架和所述内框架之间通过第二解耦梁连接，所述第二解耦梁设置于所述内框架平行于X轴的两侧；位于所述内框架内部的联动部，所述联动部包括第一联动梁，两条杠杆梁、以及两条第二联动梁；所述第一联动梁和所述第二联动梁均平行于I轴，所述杠杆梁均平行于X轴；两条所述杠杆梁关于X轴对称，分别与所述第一联动梁连接以形成一端开口的方框结构；两条所述第二联动梁关于X轴对称且位于所述杠杆梁和所述内框架之间，所述第二联动梁的一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端连接所述内框架。
[0009]进一步优选的技术方案，所述第一解耦梁包括关于y轴对称的四个Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架平行于y轴的侧边。
[0010]进一步优选的技术方案，所述第一解耦梁包括关于y轴对称的四个L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直连接所述中间框架平行于I轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架平行于X轴的侧边。
[0011 ] 进一步优选的技术方案，所述第二解耦梁包括关于X轴对称的四个Z型解耦梁，所述z型解耦梁的一端垂直连接所述内框架平行于X轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架平行于X轴的侧边。
[0012]进一步优选的技术方案，所述第二解耦梁包括关于X轴对称的四个L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直连接所述内框架平行于X轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边。
[0013]进一步优选的技术方案，所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆梁的支撑端各通过一第二锚点固定于所述基板上。
[0014]进一步优选的技术方案，所述联动部还包括两条支撑梁，所述两条支撑梁均平行于I轴；所述两条支撑梁关于X轴对称且位于所述方框结构内侧，一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端各通过一第三锚点固定于所述基板上。
[0015]进一步优选的技术方案，所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆梁支撑端的各通过一第二锚点固定于所述基板上；所述第二联动梁与杠杆梁的连接位置位于杠杆梁的支撑端和杠杆梁与支撑梁的连接点中间。
[0016]进一步优选的技术方案，所述联动部还包括第三联动梁，所述第三联动梁的一端连接所述第一联动梁的中部，另一端用于和待连接件连接。
[0017]本实用新型的微机电可变形结构，在受到外力作用时，外框架、中间框架、内框架、以及方框结构均能产生变形扭曲的效果，同时还具有变形阻力小变形空间大的优点，从而能够实现良好的测量精度和灵敏度。本实用新型的微机电可变形结构简单紧凑，有利于减小微机电系统的体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，有利于测量方案实现良好的测量精度和灵敏度。
[0018]一种三轴多自由度微机电陀螺仪，包括如前所述的可变形结构，还包括:位于两条所述杠杆梁之间的环形检测电容，所述环形检测电容的中心正对所述原点处；所述环形检测电容包括固定在基板上的四个下极板以及正对所述四个下极板并且悬置于所述下极板上方的环形上极板；所述四个下极板分为两组:第一组下极板沿X轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，所述第一组下极板与其对应部分的环形上极板相配合构成一组第一检测电容；第二组下极板沿y轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，所述第二组下极板与其对应部分的环形上极板相配合构成另一组第一检测电容；所述环形上极板在原点处通过第一锚点固定于基板上；所述第三联动梁与所述环形上极板的外沿连接；两组驱动电容，对称分布在所述外框架平行于X轴的两侧，每组所述驱动电容都包括互相配合的可动驱动电极和固定驱动电极，其中所述可动驱动电极与所述外框架的外侧边连接；所述驱动电容用于提供沿y轴方向的驱动力；两组第二检测电容，对称分布在所述外框架平行于y轴的两侧，每组所述第二检测电容都包括互相配合的可动检测电极和固定检测电极，其中所述可动检测电极与所述外框架的外侧边连接。
[0019]进一步优选的技术方案，所述环形上极板为圆环形状或者方环形状。
[0020]进一步优选的技术方案，还包括位于所述环形检测电容环孔内的支撑梁组；所述支撑梁组包括同心的内圆环和外圆环、两条内环支撑梁、两条内外环连接梁、以及四条外环连接梁；所述四条外环连接梁的一端分别与外圆环连接，另一端分别与所述环形上极板的内沿连接；所述外环连接梁分成两个一组，其中一组沿X轴分布，另一组沿y轴分布；所述两条内环支撑梁的一端分别与内圆环连接，另一端通过所述第一锚点固定于所述基板上；所述两条内外环连接梁的一端分别与内圆环连接，另一端分别与外圆环连接；所述内环支撑梁沿I轴分布且所述内外环连接梁沿X轴分布，或者，所述内环支撑梁沿X轴分布且所述内外环连接梁沿y轴分布。
[0021]本实用新型的三轴多自由度微机电陀螺仪采用单结构设计，电容式静电驱动和差动电容检测，驱动方式简单，结构紧凑，有利于减小陀螺仪体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，能够实现良好的测量精度和灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1、2为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第一实施例的立体示意图。
[0023]图3、4为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第一实施例的平面示意图。
[0024]图5为本实用新型支撑梁组第一实施例的结构示意图。
[0025]图6为本实用新型支撑梁组第二实施例的结构示意图。
[0026]图7为本实用新型支撑梁组第三实施例的结构示意图。
[0027]图8为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第二实施例的平面示意图。
[0028]图9为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第三实施例的平面示意图。
[0029]图10为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪的X和y轴检测系统简化示意图。
[0030]图11为X和y轴检测时检测质量块M2在驱动和检测方向的频响曲线。
[0031]图12为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪的z轴检测系统简化示意图。
[0032]图13为z轴检测时检测质量块M4在驱动和检测方向的频响曲线。
[0033]附图标记说明
[0034]I 基板；
[0035]2环形上极板、6a第一组下极板、6b第二组下极板；
[0036]7可动驱动电极、4固定驱动电极；
[0037]17可动检测电极、3固定检测电极；
[0038]12内框架、14中间框架、16外框架；
[0039]15第一解耦梁、13第二解耦梁；
[0040]8第一联动梁、9杠杆梁、11第二联动梁、10支撑梁、24第三联动梁；
[0041]18支撑梁组、19内圆环、20外圆环、21内环支撑梁、22内外环连接梁、23外环连接梁；
[0042]101连接梁、102支撑梁、103圆环；
[0043]5a第一锚点、5b第二锚点、5c第三锚点。
【具体实施方式】
[0044]下面参考图1?13所示，详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0045]参见图1-图4为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪的第一实施例，包括:
[0046]基板1，基板I中央位置处有一环形检测电容，定义以环形检测电容的中心为原点O，基板I所在平面为Xy平面的空间直角坐标系，空间直角坐标系的Z轴垂直于基板I。
[0047]环形检测电容包括固定在基板I上的四个下极板以及正对四个下极板并且悬置于下极板上方的环形上极板2，4个下极板排布组成的形状与环形上极板2的形状相匹配。
[0048]四个下极板可分为两组:第一组下极板6a沿X轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，第一组下极板6a与其对应部分的环形上极板相配合构成一组第一检测电容A ;第二组下极板6b沿y轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，第二组下极板6b与其对应部分的环形上极板相配合构成第一检测电容B。
[0049]环形上极板2通过支撑结构悬置于下极板的上方，支撑结构位于环形检测电容的环孔内并且与环形上极板2的内沿连接，支撑结构在原点处通过第一锚点5a固定于基板上，由于支撑结构仅中心固定，因此环形上极板2在外力作用下可以绕xyz任意一轴做角振动。
[0050]参考图5所示为支撑结构的第一实施例，支撑结构包括一圆环103、三条连接梁101、以及一条支撑梁102 ;其中，两条连接梁101沿y轴分布，第三连接梁101沿x轴分布且位于X轴的正方向，连接梁101的一端与圆环103连接，另一端与环形上极板2的内沿连接；支撑梁102沿X轴分布且位于X轴的负方向，一端连接圆环103，另一端在原点处通过第一锚点5a固定在基板上。当然，也可以是第三条连接梁101位于X轴的负方向并且支撑梁102位于X轴的正方向。
[0051]参考图6所示为支撑结构的第二实施例，支撑结构包括一圆环103、两连接梁101、以及两条支撑梁102 ;其中，两条连接梁101沿y轴分布，连接梁101的一端与圆环103连接，另一端与环形上极板2的内沿连接；两条支撑梁102沿X轴分布，一端连接圆环103，另一端在原点处通过第一锚点5a固定在基板上。
[0052]参考图1-4和图7所示为支撑结构的第三实施例，支撑结构为支撑梁组18，包括同心的内圆环19和外圆环20、两条内环支撑梁21、两条内外环连接梁22、以及四条外环连接梁23 ;四条外环连接梁23的一端分别与外圆环20连接，另一端分别与环形上极板2的内沿连接；外环连接梁23分成两个一组，其中一组沿X轴分布，另一组沿y轴分布，四条外环连接梁23均匀分割外圆环20的外周；两条内环支撑梁21的一端分别与内圆环19连接，另一端通过第一锚点5a固定于基板I上；两条内外环连接梁22的一端分别与内圆环19连接，另一端分别与外圆环20连接；内环支撑梁21沿y轴分布且内外环连接梁22沿x轴分布；在其它实施例中，也可以设置内环支撑梁21沿X轴分布而内外环连接梁22沿7轴分布。从图2的剖面部分能够看出，环形上极板2的内沿与环孔内的支撑梁组18连接，支撑梁组18在原点处通过第一锚点5a固定于基板上，环形上极板2凭借第一锚点5a的支撑悬置于下极板上方。由于支撑梁组仅中心固定且纤细具有一定弹性，因此环形上极板2在外力作用下可以绕xyz任意一轴做角振动。
[0053]其中，以上实施例中的环形上极板2均为圆环形状，但需要注意的是，本实用新型并不限定于圆环形状，本实用新型中“环形”是指中心设有孔洞的结构，例如内沿外沿皆是圆形的圆环形状，内沿外沿皆是方形的方环形状、外沿为圆形而内沿为方形的形状、外沿为方形而内沿为圆形的形状、中心开孔的十字形形状等等，这些都属于等同的实施例在本实用新型的保护范围内。
[0054]其中，环形上极板2和支撑结构可以直接为一体结构，例如为一体构图后蚀刻形成。
[0055]其中，由环形检测电容和支撑结构组成的环形可变电容:第一组下极板6a沿X轴在原点的两侧对称分布，第二组下极板6b沿y轴在原点的两侧对称分布，从而和环形上极板各形成一组检测电容，环形上极板通过中心处的锚点5a固定并悬置使其自身可以绕xyz任意一轴做角振动。这种可变电容设计能够测量两个方向上的变形，同时还具有变形时阻力小且变形空间大的优点，能够实现良好的测量精度和灵敏度。本实用新型的环形可变电容结构简单紧凑，有利于减小微机电系统的体积，工艺上适合批量生产，除了应用于本实用新型的三轴陀螺仪上，还可以用于制作平面双轴陀螺仪，z轴陀螺仪以及微致动器件，如微型开关等。
[0056]参考图3-4所示，微机电可变形结构包括以原点为中心的三层矩形框架，从内向外依次为内框架12、包围所述内框架12的中间框架14、以及包围所述中间框架14的外框架16。所述内框架12、中间框架14以及外框架16的中心都正对原点。所述内框架12、中间框架14、以及外框架16各有两条边平行于X轴，另外两条边平行于y轴。
[0057]所述外框架16和所述中间框架14之间通过4个第一解耦梁15连接，所述第一解耦梁15设置于所述中间框架14平行于y轴的两侧并且关于y轴对称。所述第一解耦梁15为Z型解耦梁，一端垂直连接所述中间框架14平行于y轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架16平行于y轴的侧边。
[0058]所述中间框架14和所述内框架12之间通过4个第二解耦梁13连接，所述第二解耦梁13设置于所述内框架12平行于X轴的两侧并且关于X轴对称。所述第二解耦梁13为Z型解耦梁，一端垂直连接所述内框架12平行于X轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架14平行于X轴的侧边。
[0059]位于所述内框架12内部的联动部，所述联动部包括第一联动梁8、两条杠杆梁9、两条第二联动梁11、两条支撑梁10、第三联动梁24。第一联动梁8、第二联动梁11、支撑梁10均平行于I轴设置，杠杆梁9和第三联动梁24平行于X轴设置。
[0060]两条杠杆梁9关于X轴对称，分别与第一联动梁8连接以形成一端开口的方框结构，方框结构位于内框架12内部，环形检测电容位于两条杠杆梁9之间；
[0061]第二联动梁11关于X轴对称且位于杠杆梁9和内框架12之间，第二联动梁11的一端连接邻近的一条杠杆梁9，另一端连接至内框架12，从而通过内框架12与中间框架14连接，进而实现与外框架16的连接；
[0062]第三联动梁24的一端连接第一联动梁8的中部，另一端与环形上极板2的外沿连接。
[0063]两条支撑梁10关于X轴对称且位于方框结构和环形检测电容之间，一端连接邻近的一条杠杆梁9，另一端各通过一第三锚点5c固定于基板I上。
[0064]其中，杠杆梁9未与第一联动梁8连接的一端为支撑端，两条杠杆梁9的支撑端各通过一第二锚点5b固定于基板I上。
[0065]其中，第二联动梁11与杠杆梁9的连接位置位于杠杆梁9的支撑端和杠杆梁9与支撑梁10的连接点中间。
[0066]其中，两个第二锚点5b关于X轴对称设置，两个第三锚点5c关于X轴对称设置，这种对称固定的设置使环形检测电容受力更加均匀。
[0067]本实用新型的微机电可变形结构，在受到外力作用时，外框架、中间框架、内框架、以及方框结构均能产生变形扭曲的效果，同时还具有变形阻力小变形空间大的优点，从而能够实现良好的测量精度和灵敏度。本实用新型的微机电可变形结构简单紧凑，有利于减小微机电系统的体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，有利于测量方案实现良好的测量精度和灵敏度。除了应用于本实用新型的三轴陀螺仪上，还可以在机械结构层面上实现微小位移的放大，有利于提高传感器的检测灵敏度和信噪比，并且降低了敏感结构对电路系统的要求。
[0068]两组驱动电容，对称分布在外框架16平行于X轴的两侧；每组驱动电容都包括互相配合的可动驱动电极7和固定驱动电极4，可动驱动电极7与外框架16平行于X轴的侧边连接，固定驱动电极4固定于基板I上。
[0069]两组第二检测电容，对称分布在外框架16平行于y轴的两侧；每组第二检测电容都包括互相配合的可动检测电极17和固定检测电极3，可动检测电极17与外框架16平行于I轴的侧边连接，固定检测电极3固定于基板I上。
[0070]其中，本实施例中的可动驱动电极7和固定驱动电极4，以及可动检测电极17和固定检测电极3均为梳齿状电极，基于极板之间交叠长度的变化进行检测。但本实用新型不限定于此，驱动电容和第二检测电容还可以为平板状电容，基于极板之间间隙的变化进行检测。
[0071]本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第一实施例的工作原理如下:
[0072]所述驱动电容用于提供沿y轴方向的驱动力，当受到外界驱动时，外框架16、可动驱动电极7以及可动检测电极17沿y轴方向做线运动，带动中间框架14、内框架12沿y轴方向做线运动，同时第二联动梁11拖动杠杆梁9沿y轴方向做线运动，杠杆梁9相当于杠杆，因此会带动第一联动梁8在y轴方向做线运动，其中第一联动梁8的运动方向与第二联动梁11相反。由于第一联动梁8通过第三联动梁24和环形上极板2的外沿相连，且环形上极板2通过支撑梁组18在原点处经第一锚点5a固定于基板I上，因此环形上极板2会在第一联动梁8的拖动下绕第一锚点5a转动，即绕z轴做角振动。因此驱动运动包括三层框架沿I轴方向的线运动和环形上极板2绕z轴的角振动。
[0073]当陀螺仪绕X轴转动时，由于哥氏力的作用，环形上极板2会绕y轴做角振动，由此引起第一组下极板6a与基板I的间距的变化，导致第一检测电容A的变化，该电容变化与陀螺仪绕X轴转动的角速度成正比，因此可用于测量X轴角速度。此时第一检测电容B和第二检测电容不受影响，或影响很小可以忽略。
[0074]当陀螺仪绕y轴转动时，由于哥氏力的作用，环形上极板2会绕X轴做角振动，由此引起第二组下极板6b与基板I的间距的变化，导致第一检测电容B的变化，该电容变化与陀螺仪绕I轴转动的角速度成正比，因此可用于测量I轴角速度。此时第一检测电容A和第二检测电容不受影响，或影响很小可以忽略。
[0075]当陀螺仪绕z轴转动时，绕z轴做角振动的环形上极板2本身不受影响。由于哥氏力的作用，外框架16、中间框架14、内框架12受到X轴方向的作用力，但由于杠杆梁9是刚性且一端固定住的，所以内框架12在X轴方向的运动是受限的，也不会影响到环形上极板2，因此环形检测电容不受影响。由于第一解耦梁15的解耦作用，不会对外框架16在X轴向的运动造成限制，因此，外框架16会沿X轴方向线运动，导致第二检测电容(由可动检测电极17和固定检测电极3组成)的变化，该电容变化即反映了陀螺仪绕z轴的角速度，因此可以用于检测z轴角速度。
[0076]本实施例中，杠杆梁9除了和第一联动梁8、第二联动梁11和支撑梁10相连外，还通过支撑端固定在基板I上(即第二锚点5b处)，并且第二联动梁11与杠杆梁9的连接位置位于杠杆梁9的支撑端和杠杆梁9与支撑梁10的连接点中间，这种情况对三层框架的运动是有好处的，这是因为:将杠杆梁9原本的自由端固定为支撑端后，在第二锚点5b与支撑梁10之间的杠杆梁9相当于两端支撑梁，这段杠杆梁9的变形模式为中间鼓两端固定的形式，其垂直于y轴的状态不会变，这时第二联动梁11如果处于其中间位置，则第二联动梁11不会受到扭矩进而导致转动，而如果偏离中间位置，杠杆梁9垂直于y轴的状态则会发生变化，这种偏转会影响三层框架的运动模态。
[0077]参见图8为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第二实施例的平面示意图，和第一实施例的区别主要在于第一解耦梁15的形状和连接方式不同。第二实施例中:外框架16和中间框架14之间通过4个第一解耦梁15连接，第一解耦梁15设置于中间框架14平行于I轴的两侧并且关于I轴对称；第一解耦梁15为L型解耦梁，一端垂直连接中间框架14平行于y轴的侧边，另一端垂直连接外框架16平行于X轴的侧边。
[0078]参见图9为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪第三实施例的平面示意图，和第二实施例的区别主要在于第二解耦梁13的形状和连接方式不同。第三实施例中:中间框架14和内框架12之间通过4个第二解耦梁13连接，第二解耦梁13设置于内框架12平行于X轴的两侧并且关于X轴对称；第二解耦梁13为L型解耦梁，一端垂直连接内框架12平行于X轴的侧边，另一端垂直连接中间框架14平行于y轴的侧边。
[0079]本实用新型特别设计了三层矩形框架的结构，内框架与中间框架之间通过Z型或者L型的第二解耦梁进行连接，中间框架与外框架之间通过Z型或者L型的第一解耦梁进行连接，其中第一解耦梁限制了外框架16和中间框架14在y轴方向上的相对运动，第二解耦梁限制了中间框架14和内框架12在X轴方向上的相对运动，这种特殊设计能够增强陀螺仪的健壮性，具体来说，具有以下有益效果:
[0080]图10为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪的X和y轴检测系统简化示意图，图11为X和y轴检测时检测质量块M2在驱动和检测方向的频响曲线。
[0081]参考图10所示，由于第一解耦梁15限制了外框架16和中间框架14在y轴方向上的相对运动，所以外框架16和中间框架14的组合可以简化为质量块M1，内框架12和环形上极板2以及连接两者的各个连系梁的组合可以简化为检测质量块M2。参考图11所示，质量块Ml受到驱动力时带动检测质量块M2在驱动方向运动，其中质量块Ml仅能够在驱动方向运动，检测质量块M2能同时在驱动和检测方向运动。在检测质量块M2的驱动运动频响曲线上，当驱动频率在驱动频响曲线两峰值之间平直段时，整个系统实现动力放大，即质量块Ml运动幅值达到最小，而检测质量块M2的运动幅值达到最大。而且此时由温度和加工误差造成谐振频率的变化对驱动平直段频响影响很小，因此陀螺驱动运动变化很小，从而提高了陀螺驱动工作的稳定性。进一步的，同时将检测质量块M2在检测方向的检测模态的固有频率设计在驱动频响两峰值之间的平直段，就能够实现驱动和检测频率的匹配，提高了陀螺仪的检测精度和灵敏度等性能。
[0082]图12为本实用新型三轴多自由度微机电陀螺仪的z轴检测系统简化示意图，图13为z轴检测时检测质量块M4在驱动和检测方向的频响曲线。
[0083]参考图12的左图所示，z轴检测系统的驱动运动动力放大原理与图7相同，因为是同一个驱动运动。参考图12的右图所示，当陀螺仪结构绕z轴转动时，内框架12受X轴向哥氏力驱动，第二解耦梁13限制了内框架12和中间框架14在X轴方向上的相对运动，因此内框架12和外框架14相当于两个固连质量块，可以简化为质量块M3，外框架16与中间框架14的连接相当于在X轴向弹簧连接，可以将外框架16简化为检测质量块M4。参考图13所示，质量块M3受到哥氏力带动检测质量块M4在检测方向运动，当哥氏力频率处于检测模态曲线两峰值间平直段时，检测质量块M4的运动位移最大，而质量块M3运动位移最小，即实现了动力放大。同时该结构也具有受温度及加工工艺误差的影响小的特点，从而有利于提高了系统的驱动和检测运动的稳定性以及陀螺仪检测的精度和灵敏度等性能。
[0084]本实用新型的三轴多自由度微机电陀螺仪采用单结构设计，电容式静电驱动和差动电容检测，驱动方式简单，结构紧凑，有利于减小陀螺仪体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，能够实现良好的测量精度和灵敏度。
[0085]以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种微机电可变形结构，其特征在于，包括: 基板； 位于所述基板上的同中心的三层矩形框架，从内向外依次为内框架、包围所述内框架的中间框架、以及包围所述中间框架的外框架，所述中心处为原点，所述内框架、中间框架、以及外框架各有两条边平行于X轴，另外两条边平行于1轴； 所述外框架和所述中间框架之间通过第一解耦梁连接，所述第一解耦梁设置于所述中间框架平行于1轴的两侧；所述中间框架和所述内框架之间通过第二解耦梁连接，所述第二解耦梁设置于所述内框架平行于X轴的两侧； 位于所述内框架内部的联动部，所述联动部包括第一联动梁，两条杠杆梁、以及两条第二联动梁；所述第一联动梁和所述第二联动梁均平行于1轴，所述杠杆梁均平行于X轴； 两条所述杠杆梁关于X轴对称，分别与所述第一联动梁连接以形成一端开口的方框结构； 两条所述第二联动梁关于X轴对称且位于所述杠杆梁和所述内框架之间，所述第二联动梁的一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端连接所述内框架。
2.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于: 所述第一解耦梁包括关于1轴对称的四个2型解耦梁，所述2型解耦梁的一端垂直连接所述中间框架平行于1轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架平行于1轴的侧边。
3.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于: 所述第一解耦梁包括关于7轴对称的四个I型解耦梁，所述I型解耦梁的一端垂直连接所述中间框架平行于1轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架平行于X轴的侧边。
4.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于: 所述第二解耦梁包括关于X轴对称的四个2型解耦梁，所述2型解耦梁的一端垂直连接所述内框架平行于X轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架平行于X轴的侧边。
5.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于: 所述第二解耦梁包括关于X轴对称的四个I型解耦梁，所述I型解耦梁的一端垂直连接所述内框架平行于X轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架平行于1轴的侧边。
6.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于: 所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆梁的支撑端各通过一第二锚点固定于所述基板上。
7.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于: 所述联动部还包括两条支撑梁，所述两条支撑梁均平行于1轴； 所述两条支撑梁关于X轴对称且位于所述方框结构内侧，一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端各通过一第三锚点固定于所述基板上。
8.如权利要求7所述的可变形结构，其特征在于: 所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆梁支撑端的各通过一第二锚点固定于所述基板上； 所述第二联动梁与杠杆梁的连接位置位于杠杆梁的支撑端和杠杆梁与所述支撑梁的连接点中间。
9.如权利要求1-8任一项所述的可变形结构，其特征在于: 所述联动部还包括第三联动梁，所述第三联动梁的一端连接所述第一联动梁的中部，另一端用于和待连接件连接。
10.一种三轴多自由度微机电陀螺仪，其特征在于，包括如权利要求9所述的可变形结构，还包括: 位于两条所述杠杆梁之间的环形检测电容，所述环形检测电容的中心正对所述原点处； 所述环形检测电容包括固定在基板上的四个下极板以及正对所述四个下极板并且悬置于所述下极板上方的环形上极板； 所述四个下极板分为两组:第一组下极板沿X轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，所述第一组下极板与其对应部分的环形上极板相配合构成一组第一检测电容；第二组下极板沿1轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，所述第二组下极板与其对应部分的环形上极板相配合构成另一组第一检测电容；所述环形上极板在原点处通过第一锚点固定于基板上； 所述第三联动梁与所述环形上极板的外沿连接； 两组驱动电容，对称分布在所述外框架平行于X轴的两侧，每组所述驱动电容都包括互相配合的可动驱动电极和固定驱动电极，其中所述可动驱动电极与所述外框架的外侧边连接；所述驱动电容用于提供沿1轴方向的驱动力； 两组第二检测电容，对称分布在所述外框架平行于1轴的两侧，每组所述第二检测电容都包括互相配合的可动检测电极和固定检测电极，其中所述可动检测电极与所述外框架的外侧边连接。
11.如权利要求10所述的三轴多自由度微机电陀螺仪，其特征在于: 所述环形上极板为圆环形状或者方环形状。
12.如权利要求10所述的三轴多自由度微机电陀螺仪，其特征在于: 还包括位于所述环形检测电容环孔内的支撑梁组； 所述支撑梁组包括同心的内圆环和外圆环、两条内环支撑梁、两条内外环连接梁、以及四条外环连接梁； 所述四条外环连接梁的一端分别与外圆环连接，另一端分别与所述环形上极板的内沿连接；所述外环连接梁分成两个一组，其中一组沿X轴分布，另一组沿7轴分布； 所述两条内环支撑梁的一端分别与内圆环连接，另一端通过所述第一锚点固定于所述基板上； 所述两条内外环连接梁的一端分别与内圆环连接，另一端分别与外圆环连接； 所述内环支撑梁沿1轴分布且所述内外环连接梁沿X轴分布，或者，所述内环支撑梁沿X轴分布且所述内外环连接梁沿7轴分布。
【文档编号】G01C19/5684GK204188169SQ201420734425
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】张廷凯 申请人:歌尔声学股份有限公司