[发明专利]一种MEMS三轴陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，更具体地，涉及一种基于微机电系统制造的三轴陀螺仪。

背景技术

MEMS陀螺仪是基于微机电工艺制造的惯性器件，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。

MEMS陀螺仪系统通常包括驱动部分和检测部分，其采用科里奥力（以下称科氏力）的原理进行角速度的检测，而科氏力是人为构造出的虚拟力，具体地，需要在第一方向对结构进行驱动，当第二方向有角速度输入时，才会在第三方向上产生科氏力，引起质量块的位移，通过检测该位移的变化，来实现对角速度的检测。因此，MEMS陀螺仪的结构比较复杂，一般来说，在单个结构上集成XYZ三轴陀螺仪有很大的难度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种MEMS三轴陀螺仪的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS三轴陀螺仪，包括衬底，以及通过锚点弹性支撑在衬底上方的主质量块，所述衬底上设有与主质量块构成驱动电容并驱动主质量块转动的驱动电极；以主质量块的横向方向为X轴方向，以主质量块的竖向方向为Y轴方向，以垂直于主质量块所在平面的方向为Z轴方向；

还包括XY轴检测结构，所述XY轴检测结构包括通过锚点弹性支撑在所述衬底上方的随动质量块，其中，所述随动质量块的侧壁通过驱动弹性梁与主质量块连接；在所述随动质量块上还设置有X轴检测质量块、Y轴检测质量块，其中，X轴检测质量块位于随动质量块的Y轴方向上，并通过沿Y轴方向的第一连接梁与随动质量块连接；所述Y轴检测质量块位于随动质量块的X轴方向上，且通过沿X轴方向的第二连接梁与随动质量块连接；所述X轴检测质量块、Y轴检测质量块的两端具有分别沿对应的第一连接梁、第二连接梁对称的第一可动电极、第二可动电极；所述衬底上设置有与第一可动电极、第二可动电极构成差分检测电容的相应的固定电极；

还包括Z轴检测结构，所述Z轴检测结构包括通过第三连接梁与主质量块连接的Z轴解耦质量块，还包括与Z轴解耦质量块平行布置的Z轴检测质量块，其中所述Z轴检测质量块通过位于其两侧的第四连接梁与Z轴解耦质量块连接；所述Z轴检测质量块通过第五连接梁连接在固定于衬底的锚点上，且第四连接梁与第五连接梁垂直；所述Z轴检测质量块上设置有第三可动电极、第四可动电极，所述衬底上设置有与第三可动电极、第四可动电极构成差分电容的固定电极。

优选地，所述XY轴检测结构设有两个，分布在主质量块X轴方向的中线上，且相对于主质量块的锚点对称。

优选地，所述X轴检测质量块设置有两个，分别记为第一X轴检测质量块、第二X轴检测质量块，所述第一X轴检测质量块、第二X轴检测质量块位于随动质量块Y轴方向的中线上，且相对于随动质量块的锚点对称；

所述Y轴检测质量块设置有两个，分别记为第一Y轴检测质量块、第二Y轴检测质量块，所述第一Y轴检测质量块、第二Y轴检测质量块位于随动质量块X轴方向的中线上，且相对于随动质量块的锚点对称。

优选地，在所述主质量块上设置有通孔，所述随动质量块位于相应的通孔内，所述驱动弹性梁与随动质量块的侧壁平行。

优选地，所述驱动弹性梁设有四个，分别位于随动质量块的四个侧壁方向。

优选地，所述主质量块通过第一十字弹性梁连接在其锚点上；所述随动质量块通过第二十字弹性梁连接在其锚点上。

优选地，所述Z轴检测结构设有两个，分别记为第一Z轴检测结构、第二Z轴检测结构，所述第一Z轴检测结构、第二Z轴检测结构分布在主质量块Y轴方向的中线上，且相对于主质量块的锚点对称。

优选地，所述第四连接梁沿着Y轴方向延伸，所述第五连接梁沿着X轴方向延伸，且所述第五连接梁设置有两个，分别位于Z轴检测质量块位于Y轴方向的两侧。

优选地，所述Z轴检测质量块包括相对于主质量块Y轴中线对称的第一Z轴检测质量块、第二Z轴检测质量块，以及连接第一Z轴检测质量块、第二Z轴检测质量块的连接部；其中，所述第一Z轴检测质量块、第二Z轴检测质量块上均设有所述的第三可动电极、第四可动电极。

优选地，所述驱动电极设有四个，两两分布在主质量块相对的两侧。