本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種單芯片三軸陀螺儀，具有體積小、成本低廉、低功耗的優(yōu)點，其包括：質(zhì)量塊，質(zhì)量塊包括相互耦合的主質(zhì)量塊和耦合質(zhì)量塊，主質(zhì)量塊為偶數(shù)個且沿Y軸對稱設(shè)置于耦合質(zhì)量塊兩側(cè)；電極層組，電極層組包括第一電極層組、第二電極層組和第三電極層組，第一電極層組、第二電極層組與質(zhì)量塊之間具有間隙，且第一電極層組沿Y軸對稱設(shè)置于第二電極層組的兩側(cè)，第一電極層組位于質(zhì)量塊的正投影內(nèi)，第二電極層組位于耦合質(zhì)量塊的正投影內(nèi)，第三電極層組包括一組靜止型細長平板和一組活動型細長平板，第三電極層組通過彈性部件與所述主質(zhì)量塊連接；驅(qū)動梳齒組，驅(qū)動梳齒組與主質(zhì)量塊連接，用以輸入信號并驅(qū)動主質(zhì)量塊移動。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種三軸MEMS陀螺儀，應(yīng)用于智能手機、平板電腦、游戲手柄、GPS的盲區(qū)導(dǎo)航、汽車等產(chǎn)品，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
與傳統(tǒng)陀螺儀相比，MEMS陀螺儀具有體積小、可集成化、成本低、能耗低等優(yōu)點。而MEMS陀螺儀主要利用哥氏力效應(yīng)來檢測角速度的大小，當(dāng)一質(zhì)量塊在一恒定方向上作簡諧振動時，若有另一垂直方向上的角速度輸入，則在正交于以上2方向上的第3方向上產(chǎn)生哥氏力，該力作用于質(zhì)量塊上即產(chǎn)生位移變形，可以通過檢測該位移變形來得到哥氏力大小，進而得到輸入角速度的大小?，F(xiàn)有產(chǎn)品中，主要通過靜電梳齒激勵來產(chǎn)生簡諧振動所需要的力，采用電容變化量來衡量位移變化量的大小，進而獲得角速度的大小。而隨著MEMS陀螺儀的不斷發(fā)展，三軸陀螺儀的集成化也是消費類與工業(yè)類應(yīng)用的主要趨勢。目前的三軸陀螺儀主要通過封裝組合的形式來實現(xiàn)，即將3個單獨單軸的陀螺儀芯片封裝成一個整體，或一個單軸陀螺與一個雙軸陀螺共同封裝成一個整體，這樣的主要缺點為體積大，封裝成本高。近幾年來，不少研究機構(gòu)尋求新的三軸陀螺儀集成方法，如國外一些MEMS公司生產(chǎn)出了消費類應(yīng)用的單芯片三軸MEMS陀螺儀。該陀螺儀的主要優(yōu)點為體積小，成本低，功耗低，因此單芯片集成式MEMS陀螺儀 為三軸陀螺儀的發(fā)展方向。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種體積小、成本低廉、低功耗的單芯片三軸陀螺儀。為實現(xiàn)前述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案:一種單芯片三軸陀螺儀，包括: 質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊包括相互耦合的主質(zhì)量塊和耦合質(zhì)量塊，所述主質(zhì)量塊為偶數(shù)個且沿Y軸對稱設(shè)置于所述耦合質(zhì)量塊兩側(cè)； 電極層組，所述電極層組包括第一電極層組、第二電極層組和第三電極層組，所述第一電極層組、第二電極層組與所述質(zhì)量塊之間具有間隙，且所述第一電極層組沿Y軸對稱設(shè)置于所述第二電極層組的兩側(cè)，所述第一電極層組位于所述質(zhì)量塊的正投影內(nèi)，所述第二電極層組位于所述耦合質(zhì)量塊的正投影內(nèi)，所述第三電極層組包括一組靜止型細長平板和一組活動型細長平板，所述第三電極層組通過彈性部件與所述主質(zhì)量塊連接；驅(qū)動梳齒組，所述驅(qū)動梳齒組與主質(zhì)量塊連接，用以輸入信號并驅(qū)動所述主質(zhì)量塊移動。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述單芯片三軸陀螺儀還包括第一錨點和第二錨點，所述第一錨點與主質(zhì)量塊連接，所述第二錨點與耦合質(zhì)量塊連接。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述第一錨點與主質(zhì)量塊之間通過第一彈性部件連接，所述第二錨點與耦合質(zhì)量塊之間通過第二彈性部件連接。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述第一彈性部件包括長直梁和短梁，所述第一彈性部件與主質(zhì)量塊之間由長直梁連接，所述第一彈性部件與所述第一錨點之間由短梁連接。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述單芯片三軸陀螺儀還包括檢測梳齒組，所述檢測梳齒組與所述驅(qū)動梳齒組組成閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述第一電極層組位于所述主質(zhì)量塊的正投影內(nèi)。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述第一電極層組位于所述耦合質(zhì)量塊的正投影內(nèi)。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述第三電極層組沿Y軸對稱設(shè)置于所述主質(zhì)量塊內(nèi)。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述彈性部件包括支撐梁。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述驅(qū)動梳齒組內(nèi)包括若干個驅(qū)動梳齒，所述每個驅(qū)動梳齒內(nèi)包括一個驅(qū)動活動梳齒和一個驅(qū)動靜止梳齒。作為本專利技術(shù)的進一步改進，所述主質(zhì)量塊與耦合質(zhì)量塊之間采用耦合梁實現(xiàn)耦口 ο本專利技術(shù)具有體積小、成本低廉、低功耗的優(yōu)點。本專利技術(shù)通過在單芯片上設(shè)置相互耦合的主質(zhì)量塊和耦合質(zhì)量塊、以及電極層組，由主質(zhì)量塊、耦合質(zhì)量塊的位移分別改變電極層組與主質(zhì)量塊或耦合質(zhì)量塊間的電容值，再由檢測上述電容值實現(xiàn)對哥氏力的檢測，進而由哥氏力反應(yīng)三個軸(X軸、Y軸、Z軸)角速度輸入信號的大小。附圖說明圖1為本專利技術(shù)具 體實施方式中實施例一的單芯片三軸陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中的單芯片三軸陀螺儀的帶有剖切面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本專利技術(shù)具體實施方式中實施例一的單芯片三軸陀螺儀的整體框架(驅(qū)動部分)示意圖。圖4為本專利技術(shù)具體實施方式中實施例一的單芯片三軸陀螺儀的整體框架(驅(qū)動部分和檢測部分)示意圖。圖5為本專利技術(shù)具體實施方式中實施例一中耦合梁的另一種結(jié)構(gòu)的單芯片三軸陀螺儀的整體框架(驅(qū)動部分和檢測部分)示意圖。圖6、圖7為本專利技術(shù)具體實施方式中實施例二的單芯片三軸陀螺儀的整體框架示意圖。圖8為本專利技術(shù)具體實施方式中實施例三的單芯片三軸陀螺儀的整體框架示意圖。具體實施例方式本專利技術(shù)所采用的單芯片三軸陀螺儀的工作原理為:驅(qū)動質(zhì)量在一個軸上作簡諧振動，在另一垂直于該振動方向上有角速度信號輸入時，將會在與上2軸正交的方向上產(chǎn)生力信號，稱為哥氏力。該哥氏力與驅(qū)動質(zhì)量、振動速度以及輸入的角速度信號成正比，當(dāng)驅(qū)動質(zhì)量與振動速度恒定時，可以通過檢測哥氏力的大小來反應(yīng)角速度輸入信號的大小。而哥氏力的大小則通過作用于一;〖亙定質(zhì)量(F=m*a=k*x, F為作用力的大小，m為質(zhì)量塊的大小，a為角速度大小，k為彈性剛度，X為位移量)，通過檢測質(zhì)量塊位移變化帶來的電容量變化來獲得。其采用的驅(qū)動檢測方式為:靜電梳齒驅(qū)動(驅(qū)動梳齒組)，平板電容(電極層組)檢測，且本專利技術(shù)通過只在一個質(zhì)量塊上施加驅(qū)動電壓來實現(xiàn)3個軸向上的角度測量。本專利技術(shù)中，一共有2個質(zhì)量塊(主質(zhì)量塊和耦合質(zhì)量塊)，其中一個質(zhì)量塊(主質(zhì)量塊)通過電壓加載，靜電驅(qū)動來實現(xiàn)簡諧振動，而另一個質(zhì)量塊(耦合質(zhì)量塊)在上一個質(zhì)量塊的耦合帶動下實現(xiàn)簡諧振動。因此在該三軸陀螺儀中，有2個軸上的角速度通過同一個質(zhì)量塊(主質(zhì)量塊)來實現(xiàn)測量，第三個軸上的角速度通過另一耦合的質(zhì)量塊(耦合質(zhì)量塊)來實現(xiàn)測量。為了便于理解，下面通過具體實施例對上述內(nèi)容進行詳解。實施例一: 請參見圖廣3，一種單芯片三軸陀螺儀包括構(gòu)成主質(zhì)量塊的第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊lb、與第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib相互耦合的耦合質(zhì)量塊2、直接連接于襯底100的第一錨點6和第二錨點7 (該第一錨點6和第二錨點7可視為靜止部分)、以及第一彈性部件5和第二彈性部件4，所述第一彈性部件5在Y軸方向上具有高彈性，在X軸方向上具有高剛度。所述第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib沿Y軸左右對稱設(shè)置于耦合質(zhì)量塊2兩偵!|，沿Y軸方向反向振動(該振動方式如圖中虛線所示)。在本實施例中，所述第一錨點6為多個，為支撐第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib的運動錨點，第一彈性部件5—端與第一錨點6連接，另一端與第一主質(zhì)量塊la、第二主質(zhì)量塊Ib連接，用以支撐第一主質(zhì)量塊Ia與第二主質(zhì)量塊Ib的往復(fù)振動,該第一彈性部件5同樣沿Y軸左右對稱。而由于第一主質(zhì)量塊Ia與第二主質(zhì)量塊lb、第一彈性部件5均沿Y軸左右對稱，第一彈性部件5在Y軸方向上具有高彈性，在X軸方向上具有高剛度，故第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib只沿Y軸方向上產(chǎn)生位移。因此Y軸為本單芯片三軸陀螺儀的第一個驅(qū)動軸,第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib為相應(yīng)的驅(qū)動質(zhì)量塊 在第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib的振動帶動下，所述耦合質(zhì)量塊2呈往復(fù)扭轉(zhuǎn)運動(如耦合質(zhì)量 塊2內(nèi)的箭頭所示)，即沿著Z軸扭轉(zhuǎn)，故沿著Z軸扭轉(zhuǎn)的諧振運動作為本單芯片三軸陀螺儀的第二個驅(qū)動軸，耦合質(zhì)量塊2為相應(yīng)的驅(qū)動質(zhì)量塊。第一主質(zhì)量塊Ia和第二主質(zhì)量塊Ib分別通過耦合梁3a、3b與耦合質(zhì)量塊2實現(xiàn)耦本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種單芯片三軸陀螺儀，其特征在于：所述單芯片三軸陀螺儀包括：質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊包括相互耦合的主質(zhì)量塊和耦合質(zhì)量塊，所述主質(zhì)量塊為偶數(shù)個且沿Y軸對稱設(shè)置于所述耦合質(zhì)量塊兩側(cè)；電極層組，所述電極層組包括第一電極層組、第二電極層組和第三電極層組，所述第一電極層組、第二電極層組與所述質(zhì)量塊之間具有間隙，且所述第一電極層組沿Y軸對稱設(shè)置于所述第二電極層組的兩側(cè)，所述第一電極層組位于所述質(zhì)量塊的正投影內(nèi)，所述第二電極層組位于所述耦合質(zhì)量塊的正投影內(nèi)，所述第三電極層組包括一組靜止型細長平板和一組活動型細長平板，所述第三電極層組通過彈性部件與所述主質(zhì)量塊連接；驅(qū)動梳齒組，所述驅(qū)動梳齒組與主質(zhì)量塊連接，用以輸入信號并驅(qū)動所述主質(zhì)量塊移動。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：莊瑞芬，李剛，
申請(專利權(quán))人：蘇州敏芯微電子技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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