一种三轴陀螺仪制造技术

本实用新型专利技术提供一种三轴陀螺仪，其包括：第一驱动框架，其能够沿X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X轴进行与第一驱动框架反向的谐振运动；耦接于第一驱动框架和第二驱动框架之间的X/Y陀螺结构；耦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。所述三轴陀螺仪结构整体合理紧凑，集成度高，还可以减小正交误差，提高检测精度。提高检测精度。提高检测精度。

【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
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Electro
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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，特点是驱动共享，并对X/Y/Z陀螺质量块进行合理布局，尽管如此三轴陀螺仪同样面临着尺寸较大，集成度不高，正交误差大的问题。
[0006]参见中国专利技术专利CN108225295A，其公开了一种音叉驱动效应的三轴陀螺仪，该专利公开的三轴陀螺结构巧妙的设计了转向结构，左右质量块用于检测 Y/Z轴角速率，中心质量块用于检测X轴角速率，但明显其集成度不高，且Y/Z 质量块共用质量块容易产生耦合；继续参见中国专利技术专利CN110926445A，其公开了一种三轴MEMS陀螺仪，该专利所公开的微陀螺结构为共享驱动，其创新点在于X/Y陀螺仪结构设计新颖，且X/Y轴陀螺仪相互作用且设置在驱动框架中间位置，并通过中心锚点支撑，Z轴陀螺仪分布在X/Y陀螺仪两侧，并连接着中间的陀螺仪结构。其整体结构设计新颖合理，集成度高，但其Z轴陀螺仪没有直接解耦，可能会面临着灵敏度低，正交误差大的问题。
[0007]因此，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中三轴陀螺仪集成度低、正交误差大的问题。

技术实现思路

[0008]本技术的目的之一在于提供一种三轴陀螺仪，其具有集成度高、正交误差小的优点。
[0009]根据本技术的一个方面，本技术提供一种三轴陀螺仪，其包括：第一驱动
框架，其能够沿X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X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。
[0010]与现有技术相比，本技术中的三轴陀螺仪的X/Y陀螺结构和所述Z陀螺结构都是由同样的两个驱动框架驱动，同时所述X/Y陀螺结构与所述Z陀螺结构相互独立，所述三轴陀螺仪结构整体合理紧凑，集成度高。当感应的不同方向角速度时，由于柯氏效应，所述X/Y陀螺结构和所述Z陀螺结构相互独立，不互相影响，可减小正交误差，提高检测精度。
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0012]图1为本技术在一个实施例中的三轴陀螺仪的整体结构示意图；
[0013]图2为本技术的图1所示的Z中心耦合梁4i的结构示意图；
[0014]图3为本技术中图1所示的三轴陀螺仪驱动状态时的示意图；
[0015]图4为本技术中图1所示的三轴陀螺仪X轴检测时的示意图；
[0016]图5为本技术中图1所示的三轴陀螺仪Y轴检测时的示意图；
[0017]图6为本技术中图1所示的三轴陀螺仪Z轴检测时的示意图；
[0018]图7为图1所示的第一驱动框架区域的放大示意图；
[0019]图8为图1所示的X/Y中心耦合梁区域的放大示意图；
[0020]图9为图1所示的Z质量块区域的放大示意图。
[0021]其中，1a
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上驱动框架(或第一驱动框架)；1b
‑
下驱动框架(或第二驱动框架)； 2a
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上质量块Y(或第一质量块)；2b
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下质量块Y(或第二质量块)；2c
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左质量块X(或第三质量块)；2d
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右质量块X(或第四质量块)；2e
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上质量块Z (或第一Z质量块)；2f
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下质量块Z(或第二Z质量块)；2g
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上检测框架(或第一Z检测框架)；2h
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下检测框架(或第二Z检测框架)；
[0022]3a.1～3a.12
‑
第一驱动电极；3a.13～3a.24
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第二驱动电极；3b.1和3b.2
‑
第一驱动反馈电极；3b.3和3b.4
‑
第二驱动反馈电极；3c.1
‑
第一Y轴检测电极，3c.2
‑ꢀ
第二Y轴检测电极；3d.1
‑
第一X轴检测电极，3d.2
‑
第二X轴检测电极；3e.1～ 3e.16
‑
第一Z轴检测电极，3e.17～3e.32
‑
第二Z轴检测电极；
[0023]4a.1和4a.2
‑
第一驱动框架支撑梁，4a.3和4a.4
‑
第二驱动框架支撑梁；4b.1
‑ꢀ
第一X/Y驱动耦合梁，4b.2
‑
第二X/Y驱动耦合梁；4c.1第一Z驱动耦合梁，4c.2
‑ꢀ
第二Z驱动耦合梁；4d.1
‑
第一X/Y转向梁，4d.2
‑
第二X/Y转向梁，4d.3
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第三X/Y 转向梁，4d.4
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第四X/Y转向梁；4e.1
‑
第一X/Y连接梁，4e.2
‑
第二X/Y连接梁， 4e.3
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【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X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X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：第一驱动框架锚点；第一驱动框架支撑梁，其连接于第一驱动框架锚点和第一驱动框架之间；第二驱动框架锚点；第二驱动框架支撑梁，其连接于第二驱动框架锚点和第二驱动框架之间；设置于第一驱动框架内的第一驱动电极和第一驱动反馈电极；设置于第二驱动框架内的第二驱动电极和第二驱动反馈电极；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X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X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。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；四个转向梁锚点和四个转向梁，其中每个转向梁与对应的一个转向梁锚点相连，相邻的两个质量块通过对应的一个转向梁相连；其中，在第一驱动框架沿X轴进行谐振运动，第二驱动框架沿X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X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X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转向梁进而带动第三质量块沿Y轴进行谐振运动，通过相应的转向梁进而带动第四质量块沿Y轴进行与第三质量块反向的谐振运动，X轴和Y轴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，分别连接于对应的质量块内侧的四个连接梁，每个连接梁都连接至所述X/Y中心耦合梁。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Y轴检测电极；设置于第二质量块下方的第二Y轴检测电极；设置于第三质量块下方的第一X轴检测电极；设置于第四质量块下方的第二X轴检测电极；当感应到Y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Y轴检测电极检测与第一质量块的距离变化，第二Y轴检测电极检测与第二质量块的距离变化，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；同理，感应到X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X轴检测电极检测与第三质量块的距离变化，第二X轴检测电极检测与第四质量块的距离变化，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。7.根据权利要求6所述的三轴陀螺仪，其特征在于，所述四个转向梁分别位于由所述X/Y陀螺结构中的四个质量块组成的图形的四个边角；所述四个转向梁锚点分别位于由所述X/Y陀螺结构的四个质量块组成的图形的四个边角，所述X/Y中心耦合梁为同心圆结构，其圆心为所述X/Y陀螺结构的中心点A；每个连接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7所述的三轴陀螺仪，其特征在于，每个转向梁为由正方形去掉一个边角后形成的五边形，每个所述五边形中，其一个边角与对应的一个所述转向梁块锚点相连，与该边角相邻的另外两个边角分别与所述X/Y陀螺结构中对应的两个相邻的质量块相连，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；所述四个转向梁整体关于X轴和Y轴对称；所述四个转向梁锚点整体关于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...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌方舟，丁希聪，蒋乐跃，刘尧，
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：