一种MEMS单轴陀螺的制作方法

一种mems单轴陀螺
【技术领域】
1.本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种mems单轴陀螺。


背景技术：

2.螺旋仪是一种用来传感与维持方向的装置，用于检测物理量偏转以及倾斜时的转动角速度，多用于导航、定位等系统，常用实例如手机gps定位导航、体感游戏机、卫星陀螺仪定位等。
3.专利文件201180019449.7公开了一种用于角速度传感器的mems结构，采用了双质量块蝶翼式结构形式，该mems结构在水平面内两轴分别对称，结构的基座具有释放应力的功能，驱动回路和检测回路采用闭环控制。蝶翼式结构是对耦振动的两个振动轮式结构，陀螺采用负刚度效应对驱动模态和检测模态进行调谐，同时对正交误差进行补偿，以解决谐振子对外的扭摆振动耦合的问题，精度高、噪声低、稳定性高，具有较高的抗冲击和抗震动能力；然而，该种结构形式双质量结构之间弱耦合，无法保证质量块位移比，易于受加速度冲击，影响测量精度。
4.因此，有必要对相关技术进行改进，提供一种质量结构之间强耦合，能够保证质量块位移比的mems单轴陀螺。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种mems单轴陀螺，以解决相关技术中陀螺质量结构之间弱耦合、无法保证质量块位移比的问题。
6.本发明的技术方案如下：一种mems单轴陀螺，包括锚点单元、弹性连接于所述锚点单元的传感单元、以及弹性连接于所述锚点单元和所述传感单元的驱动解耦结构；
7.所述传感单元包括并排设置的多个质量块以及连接于相邻每两个质量块之间的摇杆连接件；所述多个质量块以各自中心的连线为轴对称布置，每个所述质量块包括内部开设有收容槽的主体以及连接于所述主体且位于所述收容槽内的弹性结构，所述弹性结构的远离所述主体的一端与所述锚点单元相连；所述摇杆连接件与所述两质量块的连接处位于该两质量块中心连线的同一侧，且所述摇杆连接件与所述锚点单元弹性连接。
8.进一步地，所述弹性结构包括相互垂直交叉的第一扭转梁和第二扭转梁，所述第一扭转梁和第二扭转梁的交叉处位于所述质量块的中心，所述锚点单元包括连接于所述交叉处的中心锚点。
9.进一步地，所述摇杆连接件包括两端与所述相邻两质量块的主体分别相连的弹性摇杆以及与所述弹性摇杆交叉相连的支撑梁，所述锚点单元还包括连接于所述支撑梁两端的摇杆锚点。
10.进一步地，所述弹性摇杆的一端与一质量块的主体的连接处靠近所述一质量块的端部，所述弹性摇杆的另一端与另一质量块的主体的连接处远离所述另一质量块的端部。
11.进一步地，所述质量块并排布置三个以上，每个所述质量块与两侧相邻质量块之
间分别连接的所述摇杆连接件相对于该质量块镜像对称分布。。
12.进一步地，所述摇杆连接件相对于所述多个质量块中心的连线镜像对称分布。
13.进一步地，所述驱动解耦结构包括两个分别设置于所述多个质量块两端的驱动解耦件、连接于所述驱动解耦件与每间隔设置的所述质量块相应的端部之间的耦合梁、以及与所述驱动解耦件相连的弹性锚接梁组；所述锚点单元还包括连接于所述弹性锚接梁组的锚接梁锚点组；所述驱动解耦件沿平行于所述多个质量块中点连线的方向延伸；所述耦合梁位于所述驱动解耦件与所述质量块的间隙内且沿平行于所述多个质量块中点连线的方向延伸。
14.进一步地，所述弹性锚接梁组包括垂直连接于每个所述驱动解耦件两端的各若干个第一弹性锚接梁，每个所述第一弹性锚接梁的一端连接所述驱动解耦件，另一端向远离所述驱动解耦件延伸；所述锚接梁锚点组包括连接于每个所述第一弹性锚接梁的远离所述驱动解耦件的一端的第一锚接梁锚点。
15.进一步地，所述弹性锚接梁组还包括垂直连接于每个所述驱动解耦件中部的若干个第二弹性锚接梁，每个所述第二弹性锚接梁的一端连接所述驱动解耦件，另一端远离所述驱动解耦件；所述锚接梁锚点组还包括连接于每个所述第二弹性锚接梁的远离所述驱动解耦件的一端的第二锚接梁锚点。
16.进一步地，所述mems单轴陀螺还包括与所述驱动解耦结构连接的第一换能器，所述第一换能器包括电容换能器、电感换能器、热电换能器、压电换能器中的任意一种或任意多种的组合。
17.进一步地，所述第一换能器包括分别平行设置于所述驱动解耦件外侧的正极驱动电极和负极驱动电极。
18.进一步地，所述mems单轴陀螺还包括面外设置于所述多个质量块的上方或下方的第二换能器；所述第二换能器包括电容换能器、电感换能器、热电换能器、压电换能器中的任意一种或任意多种的组合。
19.本发明的原理在于：
20.各质量块分别通过弹性结构与锚点单元连接，使得质量块能面内旋转以及面外摆动；相邻两质量块通过摇杆连接件相互耦合，使得相邻两质量块的面内旋转和面外摆动方向相反；本发明的mems单轴陀螺拥有两种振动模态，第一个模态中质量块面内旋转，称为驱动模态，在该模态下，由于摇杆连接件的作用，相邻两质量块的旋转方向相反；当陀螺受到面内垂直于旋转方向的外界角速度ω，根据哥氏原理，角速度ω将产生与面内方向正交的哥氏力，质量块在该哥氏力的作用下面外摆动，该模态称为检测模态；由于每质量块的两端在驱动模态下的运动方向相反，因此该两端在检测模态下的振动方向相反；进一步地，由于相邻两质量块的旋转方向相反，因此相邻两质量块的同一端在检测模态下的振动方向相反，基于此，该mems陀螺仪的每质量块及相邻两质量块均能够实现对外界角速度ω的差分检测。
21.本发明的有益效果在于：每质量块及相邻两质量块均可进行差分检测，可抵抗外部电学及机械噪声的干扰，提高器件信噪比；调节两质量块之间的摇杆连接件，使得各质量块矢量位移为零，能够实现质量块力矩平衡，免疫外部线加速度及角加速度的冲击；相比于传统蝶翼式结构单轴陀螺，本方案中各个质量块之间通过摇杆连接件强耦合，在加工误差
存在的前提下，保证了各个质量块的位移比，提高器件对工艺的冗余度。
【附图说明】
22.图1为本发明实施例中mems单轴陀螺的俯视结构示意图；
23.图2为图1中a部分的放大图；
24.图3为本发明实施例中mems单轴陀螺在驱动模态时的状态示意图；
25.图4为本发明实施例中mems单轴陀螺在检测模态时的状态示意图。
【具体实施方式】
26.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
27.如图1中所示，本发明实施例的mems单轴陀螺包括锚点单元1、弹性连接于锚点单元1的传感单元2、以及弹性连接于锚点单元1和传感单元2的驱动解耦结构3；其特征在于，
28.传感单元2包括并排设置的多个质量块21，以及连接于相邻每两个质量块21之间的摇杆连接件22；多个质量块21以各自中心的连线为轴对称布置，每个质量块21包括内部开设有收容槽212的主体211以及连接于主体211且位于收容槽212内的弹性结构213，弹性结构213的远离主体211的一端与锚点单元1相连；摇杆连接件22与两质量块21的连接处位于该两质量块21中心连线的同一侧，且摇杆连接件22与锚点单元1弹性连接。
29.在本实施例中，如图3中所示，在驱动模态下，质量块21面内旋转，质量块21的端部沿平行于各质量块21中心的连线的方向运动，且同一质量块21的两端运动方向相反；由于摇杆连接件22的作用，相邻两质量块21的旋转方向相反，因此，相邻两质量块21的相同端运动方向相反；图3中示出了在驱动模态下，三个质量块21运动方向的一种方式；当陀螺受到面内沿垂直于各质量块21中心的连线方向的外界角速度ω，根据哥氏原理，角速度ω将产生与面内方向正交的哥氏力，质量块21在该哥氏力的作用下轴面外摆动；由于同一质量块21的两端在驱动模态下的运动方向相反，因此质量块21的两端在检测模态下的振动方向相反；进一步地，由于相邻两质量块21的旋转方向相反，因此相邻两质量块21的同一端在检测模态下的振动方向相反，基于此，该陀螺的每质量块21及相邻两质量块21均能够实现对外界角速度ω的差分检测；图4中示出了三个质量块21由图3中的驱动模态在角速度ω激发的检测模态下的运动方向。
30.在本实施例中，如图1中所示，弹性结构213包括相互垂直交叉的第一扭转梁2131和第二扭转梁2132，第一扭转梁2131和第二扭转梁2132的交叉处位于质量块21的中心，锚点单元1包括连接于该交叉处的中心锚点11。
31.在本实施例中，如图1中所示，摇杆连接件22包括两端与相邻两质量块21的主体211分别相连的弹性摇杆221以及与弹性摇杆221交叉相连的支撑梁222，锚点单元1还包括连接于支撑梁222两端的摇杆锚点12；弹性摇杆221的一端与一质量块21的主体211的连接处靠近所述一质量块21的端部，弹性摇杆221的另一端与另一质量块21的主体211的连接处远离所述另一质量块21的端部；通过调整弹性摇杆221与质量块21的连接位置、和/或调整支撑梁222与弹性摇杆221连接处的位置，以调整支撑梁222分割弹性摇杆221的比例，能够使多个质量块21的总矢量位移为0，可实现质量块21力矩平衡，免疫外部线加速度及角加速度的冲击；在一些实施例中，支撑梁222分割弹性摇杆221的比例为1：1，即支撑梁222与弹性
摇杆221的交叉处距离弹性摇杆221两端分别与两质量块21连接处的距离相等；在另一些实施例中，支撑梁222分割弹性摇杆221的比例为2：1；在另一些实施例中，支撑梁222分割弹性摇杆221的比例大于2：1。
32.在本实施例中，如图1中所示，质量块21并排布置三个，摇杆连接件22相对于位于中间的质量块21镜像对称分布，并相对于三个质量块21中心的连线镜像对称分布；在本实施例中，通过调整弹性摇杆221与质量块21的连接位置，和/或弹性摇杆221与支撑梁222的位置，能够使中间质量块21的矢量位移为两边质量块21矢量位移的2倍，实现三个质量块21力矩平衡。
33.在本实施例中，如图1中所示，驱动解耦结构3包括两个分别设置于三个质量块21两端的驱动解耦件31、连接于驱动解耦件31与每间隔设置的质量块21相应的端部之间的耦合梁32、以及与驱动解耦件31相连的弹性锚接梁组33，锚点单元1包括连接于弹性锚接梁组33的锚接梁锚点组13；在本实施例中，如图2中所示，驱动解耦件31沿平行于多个质量块21中点连线的方向延伸；在本实施例中，耦合梁32设置两个，分别与外侧的两个质量块21相应的端部连接，耦合梁32位于驱动解耦件31与质量块21的间隙内且沿平行于三个质量块21中点连线的方向延伸；驱动解耦件31和耦合梁32在面内平行于三个质量块21中点连线的方向具有大的刚度，因此，在驱动模态下，驱动解耦件31和耦合梁32与质量块21耦合，能够驱动质量块21的相应的端部沿平行于三个质量块21中点连线的方向运动；驱动解耦件31在面外方向具有大的刚度，耦合梁32在面外方向具有小的刚度，因此，在检测模态下，耦合梁32随质量块21面外摆动，而驱动解耦件31不动，实现驱动解耦件31与质量块21解耦。
34.在本实施例中，如图1中所示，弹性锚接梁组33包括垂直连接于每个驱动解耦件31两端的各若干个第一弹性锚接梁331，且两个驱动解耦件31所连接的第一弹性锚接梁331相对于三个质量块21中心的连线镜像对称分布；每个第一弹性锚接梁331的一端连接驱动解耦件31，另一端向远离驱动解耦件31延伸；锚接梁锚点组13包括连接于每个第一弹性锚接梁331的远离驱动解耦件31的一端的第一锚接梁锚点131；本实施例中，第一弹性锚接梁331在每个驱动解耦件31的两端分别连接两个，且每端的两个第一弹性锚接梁331分别位于该驱动解耦件31的两侧。
35.弹性锚接梁组33还包括垂直连接于每个驱动解耦件31中部的若干个第二弹性锚接梁332，且两个驱动解耦件31所连接的第二弹性锚接梁332相对于三个质量块21中心的连线镜像对称分布；每个第二弹性锚接梁332的一端连接驱动解耦件31，另一端远离驱动解耦件31；锚接梁锚点组13还包括连接于每个第二弹性锚接梁332的远离驱动解耦件31的一端的第二锚接梁锚点132；在本实施例中，如图1中所示，第二弹性锚接梁332在两个驱动解耦件31中部各连接两个，且每个驱动解耦件31连接的两个第二弹性锚接梁332分别位于该驱动解耦件31的两侧；在本实施例中，第一弹性锚接梁331和第二弹性锚接梁332的延伸方向与驱动解耦结构3在驱动模态下的运动方向垂直，因此第一弹性锚接梁331和第二弹性锚接梁332在驱动方向上具有较小的刚度；在驱动模态下，驱动解耦结构3与第一弹性锚接梁331和第二弹性锚接梁332耦合，第一弹性锚接梁331和第二弹性锚接梁332沿平行于多个质量块21中点连线的方向运动。
36.在本实施例中，如图1中所示，该mems单轴陀螺还包括与驱动解耦结构3连接的第一换能器4，第一换能器4包括电容换能器、电感换能器、热电换能器、压电换能器中的任意
一种或任意多种的组合；在本实施例中，第一换能器4包括分别平行设置于驱动解耦件31外侧的正极驱动电极41和负极驱动电极42。
37.在本实施例中，如图1中所示，该mems单轴陀螺还包括面外设置于多个质量块21上方或下方的第二换能器5；在本实施例中，第二换能器5包括位于每个质量块21两端部上方的各一个第二换能器51；第二换能器5包括电容换能器、电感换能器、热电换能器、压电换能器中的任意一种或任意多种的组合。
38.以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。