一种高灵敏度的单轴MEMS陀螺仪制造技术

本发明专利技术提供了一种高灵敏度的单轴MEMS陀螺仪，其包括驱动质量块、传动部件、科氏力质量块，并且限定了相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向；所述驱动质量块被设置为可沿所述第一方向活动；所述传动部件分别通过具有弹性的结构与所述驱动质量块和所述科氏力质量块相连接；所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时，带动所述传动部件活动，进而使所述传动部件驱动所述科氏力质量块仅沿所述第二方向活动；所述传动部件与所述科氏力质量块的连接适于所述科氏力质量块在科氏力的作用下仅沿所述第三方向活动。

A High Sensitivity Single Axis MEMS Gyroscope

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的单轴MEMS陀螺仪
本专利技术涉及MEMS领域，尤其涉及一种高灵敏度的单轴MEMS陀螺仪。
技术介绍
基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System)加工制作的微型陀螺仪，因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点，已在消费电子、工业、医疗、军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用，目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，在一定程度上，已经成为标准配置。随着消费电子产品逐渐向便携，轻便化发展的趋势，市场对陀螺仪芯片的需求日益迫切。面向此市场的MEMS陀螺仪主要为电容谐振式陀螺仪，其包括驱动质量块、科里奥利力(科氏力)质量块和检测质量块。驱动电容使驱动质量块在驱动方向上振动，并带动科氏力质量块同时振动，在有与科氏力质量块运动方向垂直的角速度输入的时候，由于科氏力的作用，科氏力质量块会产生与运动方向和角速度方向所构成的平面相垂直方向的力，从而带动科氏力质量块在检测方向运动，科氏力质量块同时带动检测质量块运动，通过检测质量块电容变化可计算出角速度输入的大小，科氏力质量块与检测质量块可以合并为同一质量块以减小设计面积。驱动状态下，科氏力质量块运动幅度越大，在有角速度输入的情况下，科氏力产生的动能越大，从而驱动效率越高。科氏力质量块产生的动能越大，可带动的检测质量块运动幅度越大，检测质量块产生的位移越大，其检测输出效率越高。但通常，XY轴检测质量块在XY平面外运动的方向上是扭转的，由此带来的是，离转轴中心越近的位置，其输出的电容变化越低，相反则越高。检测质量块的转动运动模式，对传感器敏感的线性度有很大的要求，对转轴的工艺刻蚀精度要求较高，在转轴有微小工艺偏差时，灵敏度的非对称性会大幅度增加，同时质量块靠近转轴的地方质量利用效率低，也不利于惯性质量和相应的面积的降低。
技术实现思路
鉴于现有技术中的问题，本专利技术提供一种MEMS陀螺仪，其包括驱动质量块、传动部件、科氏力质量块，并且限定了相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向；所述驱动质量块被设置为可沿所述第一方向活动；所述传动部件分别通过具有弹性的结构与所述驱动质量块和所述科氏力质量块相连接；所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时，带动所述传动部件活动，进而使所述传动部件驱动所述科氏力质量块仅沿所述第二方向活动；所述传动部件与所述科氏力质量块的连接适于所述科氏力质量块在科氏力的作用下仅沿所述第三方向活动。进一步地，所述MEMS陀螺仪还包括驱动电极，所述驱动电极固定设置，其与所述驱动质量块相配合形成驱动电容，从而可通过静电力驱动所述驱动质量块沿所述第一方向活动。进一步地，所述MEMS陀螺仪还包括检测电极，所述检测电极被固定设置在所述科氏力质量块沿所述第三方向的一侧，两者相配合形成检测电容。进一步地，所述传动部件包括第一刚性件，所述第一刚性件分别通过第一弹性件和第二弹性件与所述驱动质量块和固定锚点相连接，从而所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时可带动所述第一刚性件活动。进一步地，所述第一弹性件和所述第二弹性件沿所述第二方向延伸。进一步地，所述传动部件还包括第二刚性件，所述第二刚性件与所述第一刚性件间隔设置并且两者通过第三弹性件相连接，所述第三弹性件适于使所述第一刚性件在沿所述第二方向活动时，带动所述第二刚性件也沿所述第二方向活动。进一步地，所述第二刚性件一端与所述第一刚性件通过所述第三弹性件相连接，另一端通过第四弹性件与固定锚点相连接。进一步地，所述第一刚性件和所述第二刚性件分别通过第五弹性件和第六弹性件与所述科氏力质量块相连接，从而当所述第一刚性件和所述第二刚性件沿所述第二方向活动时，带动所述科氏力质量块也沿所述第二方向活动。进一步地，所述第五弹性件和所述第六弹性件沿所述第二方向延伸。进一步地，所述MEMS陀螺仪包括两个所述驱动质量块和两个所述传动部件，将其中一个所述驱动质量块和与其相配合的所述传动部件设置在所述科氏力质量块的一侧，将另一个所述驱动质量块和与其相配合的所述传动部件对称地设置于所述科氏力质量块的另一侧。进一步地，所述MEMS陀螺仪包括两个所述科氏力质量块，在所述传动部件的驱动下，两个所述科氏力质量块沿所述第二方向的运动方向相反。现有MEMS陀螺仪，如X轴陀螺仪在驱动时，科氏力质量块在XY平面内做面内转动，其有效位移是在Y方向上的运动分量，从而科氏力质量块在靠近转轴的部分位移较小，其驱动效率较低。本专利技术的MEMS陀螺仪，如X轴陀螺仪在驱动时，科氏力质量块在Y方向的运动方式为平动，使其驱动效率提高；并可以根据科氏力质量块和驱动质量块的质量和位移的大小，调整连接的弹簧梁的位置和刚度，从而调整科氏力质量块的位移和驱动电极驱动力的关系；当采用刚性梁还可以起到上下左右耦合的作用，使得两个科氏力质量块的运动方向相同，大小相反，降低工艺偏差导致的影响。现有MEMS陀螺仪，如X轴陀螺仪在科氏力质量块有绕X轴的角速度输入时，科氏力质量块相对于XY平面做面外转动，科氏力对科氏力质量块靠近转轴附近的部分产生的动能较小，质量利用率较低，产生位移较小，相对的检测电容变化较小，不利于增加陀螺仪的灵敏度和降低设计面积。本专利技术的MEMS陀螺仪，如X轴陀螺仪的检测部分，由于刚性梁和耦合弹簧的作用，科氏力质量块在有绕X轴的角速度输入的情况下，受到的科氏力为Z方向，具体为Z方向的平动。此时科氏力质量块的全部质量都用于动能的转化，质量的利用率较高，有利于灵敏度的提高和减少陀螺仪的总体面积以降低成本。在杠杆刚性梁、固定锚点和多组弹簧梁的作用下，保证两个科氏力质量块之间的耦合关系，使其运动方向相反，大小相等，从而进一步降低工艺偏差和外部环境变化对质量块输出位移的影响，保证了陀螺仪输出的稳定性，提高了陀螺仪性能。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是现有的一种MEMS陀螺仪的结构示意图；图2是图1中MEMS陀螺仪驱动状态时的示意图；图3是图1中MEMS陀螺仪当有绕X轴的角速度输入时的示意图；图4是本专利技术的一个较佳实施例的结构示意图；图5是图4中MEMS陀螺仪驱动状态时的示意图；图6是图4中MEMS陀螺仪当有绕X轴的角速度输入时的示意图；图7是图1中MEMS陀螺仪驱动状态时科氏力质量块的驱动幅度示意图；图8是图4中MEMS陀螺仪驱动状态时科氏力质量块的驱动幅度示意图；图9是图1中MEMS陀螺仪检测时科氏力质量块的运动幅度示意图；图10是图4中MEMS陀螺仪检测时科氏力质量块的运动幅度示意图。具体实施方式在本专利技术的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利技术的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。图1至图3是一种现有的X轴陀螺仪(根据应用的需求，可将设计版图或芯片旋转90度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，包括驱动质量块、传动部件、科氏力质量块，并且限定了相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向；所述驱动质量块被设置为可沿所述第一方向活动；所述传动部件分别通过具有弹性的结构与所述驱动质量块和所述科氏力质量块相连接；所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时，带动所述传动部件活动，进而使所述传动部件驱动所述科氏力质量块仅沿所述第二方向活动；所述传动部件与所述科氏力质量块的连接适于所述科氏力质量块在科氏力的作用下仅沿所述第三方向活动。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，包括驱动质量块、传动部件、科氏力质量块，并且限定了相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向；所述驱动质量块被设置为可沿所述第一方向活动；所述传动部件分别通过具有弹性的结构与所述驱动质量块和所述科氏力质量块相连接；所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时，带动所述传动部件活动，进而使所述传动部件驱动所述科氏力质量块仅沿所述第二方向活动；所述传动部件与所述科氏力质量块的连接适于所述科氏力质量块在科氏力的作用下仅沿所述第三方向活动。2.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，还包括驱动电极，所述驱动电极固定设置，其与所述驱动质量块相配合形成驱动电容，从而可通过静电力驱动所述驱动质量块沿所述第一方向活动。3.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，还包括检测电极，所述检测电极被固定设置在所述科氏力质量块沿所述第三方向的一侧，两者相配合形成检测电容。4.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述传动部件包括第一刚性件，所述第一刚性件分别通过第一弹性件和第二弹性件与所述驱动质量块和固定锚点相连接，从而所述驱动质量块在沿所述第一方向活动时可带动所述第一刚性件活动。5.如权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一弹性件和所述第二弹性件沿所述第二方向延伸。6.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹波，郑青龙，刘爽，
申请(专利权)人：深迪半导体上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31