【技术实现步骤摘要】
一种三轴陀螺仪
[0001]本技术涉及微机械系统
,尤其涉及一种三轴陀螺仪。
技术介绍
[0002]陀螺是用于测量角速率的传感器,是惯性技术的核心器件之一,在现代工业控制、航空航天、国防军事及消费电子等领域发挥着重要作用。
[0003]陀螺的发展大致可分为三个阶段:
[0004]第一阶段是传统的机械转子陀螺,它精度很高,在核潜艇、洲际战略导弹等军用战略武器上发挥着不可替代的作用,但它的体积较大、制造过程复杂、价格昂贵、周期长且不适合批量化生产;第二阶段是光学检测陀螺,主要包括激光陀螺和光纤陀螺,主要利用萨格纳克效应,其优点是无旋转部件、精度较高,在航海和航空航天方面发挥着重要作用,但仍面临着体积较大、成本较高、不易集成的问题;第三阶段是微机械陀螺,发展于20世纪90年代,其研究起步较晚,但凭借着体积小、功耗小、重量轻、可批量生产、价格低、抗过载能力强和可集成的独特优点发展迅速,适用于飞机导航、汽车制造、数码电子、工业器械等民用领域和无人机、战术导弹、智能炸弹、军用瞄准系统等现代国防军事领域,其具有广泛的应用前景,越来越受到人们的关注。
[0005]随着消费市场的需求量增大,对MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System)陀螺仪的尺寸、性能有了更高的要求,陀螺仪也从单轴陀螺仪变为三轴陀螺仪,早期的三轴陀螺仪由三个独立的单轴陀螺仪组成,需要包含单独的驱动结构,故整体结构尺寸大。现消费级应用中,一般为单片三轴陀螺仪,特 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种三轴陀螺仪,其特征在于,其包括:第一驱动框架,其能够沿Y轴进行谐振运动;第二驱动框架,其与第一驱动框架平行且间隔预定距离,其能够沿Y轴进行与第一驱动框架反向的谐振运动;连接于第一驱动框架和第二驱动框架之间的X/Y陀螺结构;连接于第一驱动框架和第二驱动框架之间且位于所述X/Y陀螺结构一侧的Z陀螺结构;其中,所述X/Y陀螺结构与所述Z陀螺结构相互独立,所述X/Y陀螺结构和Z陀螺结构均是由所述第一驱动框架和第二驱动框架共同驱动。2.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪,其特征在于,其还包括:第一驱动框架支撑梁锚点;第一驱动框架支撑梁,其连接于所述第一驱动框架支撑梁锚点和第一驱动框架之间;第二驱动框架支撑梁锚点;第二驱动框架支撑梁,其连接于所述第二驱动框架支撑梁锚点和第二驱动框架之间;设置于第一驱动框架两侧的第一驱动电极;设置于第一驱动框架两侧的第一驱动反馈电极;设置于第二驱动框架两侧的第二驱动电极;设置于第二驱动框架两侧的第二驱动反馈电极;通过在第一驱动电极上施加驱动电压驱动第一驱动框架沿Y轴进行谐振运动;通过在第二驱动电极上施加驱动电压驱动第二驱动框架沿Y轴进行与第一驱动框架反向的谐振运动。3.根据权利要求2所述的三轴陀螺仪,其特征在于,第一驱动电极、第一驱动反馈电极、第二驱动电极和第二驱动反馈电极固定设置于基底上,第一驱动框架通过第一驱动框架支撑梁与第一驱动框架支撑梁锚点连接,第一驱动框架和第一驱动框架支撑梁悬置于所述基底上方,第二驱动框架通过第二驱动框架支撑梁与第二驱动框架支撑梁锚点连接,第二驱动框架和第二驱动框架支撑梁悬置于所述基底上方;X轴和Y轴相互垂直;所述X轴沿左右方向,所述Y轴沿上下方向;所述第一驱动框架两侧为所述第一驱动框架的上侧和下侧;所述第二驱动框架两侧为所述第二驱动框架的上侧和下侧。4.根据权利要求1所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y陀螺结构包括:第一X/Y驱动耦合梁和第二X/Y驱动耦合梁;第一质量块、第二质量块、第三质量块和第四质量块,分别设置于所述X/Y陀螺结构的中心点A的上下左右四个位置,第一质量块与第三质量块和第四质量块相邻设置,第二质量块与第三质量块和第四质量块相邻设置,第一质量块通过第一X/Y驱动耦合梁与第一驱动框架相连,第二质量块通过第二X/Y驱动耦合梁与第二驱动框架相连;质量块锚点,其位于所述X/Y陀螺结构的四个质量块的外侧;质量块支撑梁,其位于所述X/Y陀螺结构的四个质量块的外侧,且所述X/Y陀螺结构的每个质量块通过其外侧的质量块支撑梁与其外侧的质量块锚点相连;
四个斜梁,其分别位于所述X/Y陀螺结构中每相邻的两个质量块之间,所述X/Y陀螺结构中每相邻的两个质量块通过位于两者之间的斜梁相连;其中,在第一驱动框架沿Y轴进行谐振运动,第二驱动框架沿Y轴进行与第一驱动框架反向的谐振运动时,第一驱动框架通过第一X/Y驱动耦合梁带动第一质量块沿Y轴进行谐振运动,第二驱动框架通过第二X/Y驱动耦合梁带动第二质量块沿Y轴进行与第一质量块反向的谐振运动,第一质量块和第二质量块通过相应的斜梁进而带动第三质量块沿X轴进行谐振运动,通过相应的斜梁进而带动第四质量块沿X轴进行与第三质量块反向的谐振运动,X轴和Y轴相互垂直并且定义了所述X/Y陀螺结构所在的平面,Z轴垂直于X轴和Y轴所定义的平面。5.根据权利要求4所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y陀螺结构还包括:位于所述X/Y陀螺结构的中心点A的X/Y中心耦合梁结构,分别连接于对应的质量块内侧的四个X/Y质量块耦合梁,每个X/Y质量块耦合梁都连接至所述X/Y中心耦合梁结构。6.根据权利要求5所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y陀螺结构还包括:设置于第一质量块下方的第一X轴检测电极;设置于第二质量块下方的第二X轴检测电极;设置于第三质量块下方的第一Y轴检测电极;设置于第四质量块下方的第二Y轴检测电极;当感应到X轴角速度输入时,会使得第一质量块和第二质量块沿着Z轴方向发生反向运动,第一X轴检测电极检测与第一质量块的距离变化,第二X轴检测电极检测与第二质量块的距离变化,第一X轴检测电极和第二X轴检测电极的电容一个增大,一个减小,两者差分得到X轴角速度引起的电容变化,进而得到输入的X轴角速率大小;当感应到Y轴角速度输入时,导致第三质量块和第四质量块沿着Z轴方向发生反向运动,第一Y轴检测电极检测与第三质量块的距离变化,第二Y轴检测电极检测与第四质量块的距离变化,第一Y轴检测电极和第二Y轴检测电极的电容一个增大,一个减小,两者差分得到Y轴角速度引起的电容变化,进而得到输入的Y轴角速率大小。7.根据权利要求5所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述斜梁为U型梁,其一端与对应的所述相邻的两个质量块中的一个相连,其另一端与对应的所述相邻的两个质量块中的另一个相连,该U型梁的开口指向所述X/Y陀螺结构的中心点A;每个X/Y质量块耦合梁包括长度由外向内逐渐减小的多个中空直梁部以及将中空直梁连接的连接部。8.根据权利要求4所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y陀螺结构中的四个质量块包括矩形部和等腰梯形部,所述四个质量块整体关于X轴和Y轴对称;所述四个斜梁整体关于X轴和Y轴对称;所述X/Y陀螺结构的质量块上可设置一定数量的阻尼孔,用来减小阻尼,提高陀螺的品质因数以及灵敏度。9.根据权利要求5所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y中心耦合梁结构包括:
X/Y中心耦合机构,其内定义有X/Y空间;X/Y中心耦合梁,其位于所述X/Y空间内;X/Y中心耦合梁锚点,其位于所述X/Y空间内;其中,所述X/Y中心耦合机构通过所述X/Y中心耦合梁与X/Y中心耦合梁锚点相连,且所述X/Y中心耦合机构通过四个连接梁与X/Y陀螺结构的四个质量块相连。10.根据权利要求9所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y中心耦合梁包括十字型耦合中心梁、第一耦合折叠梁和第二耦合折叠,其中,所述十字型耦合中心梁的交叉点位于所述X/Y陀螺结构的中心点A,所述X/Y中心耦合梁锚点为四个,其分别位于所述十字型耦合中心梁划分出的四个区域,其中,第一X/Y中心耦合梁锚点位于所述十字型耦合中心梁的左上区域,第二X/Y中心耦合梁锚点位于所述十字型耦合中心梁的右上区域,第三X/Y中心耦合梁锚点位于所述十字型耦合中心梁的左下区域,第四X/Y中心耦合梁锚点位于所述十字型耦合中心梁的右下区域;所述第一耦合折叠梁连接于所述第一X/Y中心耦合梁锚点和第三X/Y中心耦合梁锚点之间,所述第一耦合折叠梁的中点与所述十字型耦合中心梁的横杆部的一端相连,所述第一耦合折叠梁关于所述十字型耦合中心梁的横杆部对称;所述第二耦合折叠梁连接于所述第二X/Y中心耦合梁锚点和所述第四X/Y中心耦合梁锚点之间,所述第二耦合折叠梁的中点与所述十字型耦合中心梁的横杆部的另一端相连,所述第二耦合折叠梁关于所述十字型耦合中心梁的横杆部对称;所述十字型耦合中心梁的竖杆部的一端和另一端分别与所述X/Y中心耦合机构相连。11.根据权利要求10所述的三轴陀螺仪,其特征在于,所述X/Y中心耦合梁还包括四个L型中间支撑梁,其分别位于所述十字型耦合中心梁划分出的四个区域,每个L型中间支撑梁的一端与其所在区域的所述十字型耦合中心梁的横杆部相连,其另一端与其所在区域的所述十字型耦合中心梁的竖杆部相连,其开口方向朝向所述X/Y陀螺结构的中心点A;所述X/Y中心耦合机构为内部定义有X/Y空间的菱形结构,该菱形结构的四个边角分别与所述四个X/Y质量块耦合梁相连;所述第一耦合折叠梁包括第一几字形弹性梁和第三几字形弹性梁,其中,第一几字形弹性梁的一端与所述第一X/Y中心耦合梁锚点相连,第一几字形弹性梁的另一端与第三几字形弹性梁的另一端,第三几字形弹性梁的一端与所述第三X/Y中心耦合梁锚点相连;所述十字型耦合中心梁的横杆部的一端与第一几字形弹性梁的另一端和第三几字形弹性梁的另一端相连,第一几字形弹性梁和第三几字形弹性梁关于所述十字型耦合中心梁的横杆部对称;所述第二耦合折叠梁包括第二几字形弹性梁和第四几字形弹性梁,其中,第二几字形弹性梁的一端与所述第二X/Y中心耦...
【专利技术属性】
技术研发人员:丁希聪,凌方舟,蒋乐跃,储莉玲,
申请(专利权)人:美新半导体天津有限公司,
类型:新型
国别省市:
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