[发明专利]一种三轴微机械陀螺仪

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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y轴分布的x轴检测质量块（x1、x2）和两个沿x轴分布的y轴检测质量块（y1、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。

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。

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。

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。

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y轴分布的x轴检测质量块（x1、x2）和两个沿x轴分布的y轴检测质量块（y1、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。