一种传感器设计结构制造技术

本申请公开了一种传感器设计结构，特别适用于三轴MEMS陀螺仪结构设计，属于MEMS传感器领域。该结构设计有旋转框架，用于运动传递；设计有X/Y轴检测共享质量块，结构方面节省了驱动结构的面积，有效缩小了芯片整体尺寸；锚定框架上的锚点依据芯片在晶圆不同位置上的不同应力表现，可进行相应调整，以抵消或部分抵消MEMS制造工艺或封装应力影响，提升芯片性能；由于使用了如前所述的整体结构布局，因此本发明专利技术中的三轴MEMS陀螺仪结构紧凑、整体面积小、生产成本较低。生产成本较低。生产成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种传感器设计结构


[0001]本申请涉及MEMS传感器领域，具体涉及一种传感器设计结构。

技术介绍

[0002]陀螺仪是用于测量角速率的传感器，是惯性技术的核心器件之一，广泛适用于航空、航海、航天、国防工业和消费电子等领域。微机械(Micro
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Electro
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Mechanical System，MEMS)陀螺，发展于20世纪90年代，因其体积小、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，具有广泛的应用前景。
[0003]MEMS 陀螺仪属于主动器件，通电后系统在谐振点做简谐振动，当与质量块运动方向垂直的方向上有角速度输入时，在质量块运动方向和输入角速度方向垂直的方向会产生哥氏力，通过检测结构及外围处理电路即可获得相应的角速度的表征量。目前应用最为广泛的驱动方式为静电和压电，检测方式为电容和压电。
[0004]随着消费市场的需求量增大，对MEMS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。目前的消费级应用，一般使用单片三轴陀螺仪，特点是驱动共享，可对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、正交误差大等问题。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种传感器设计结构，可以优化三轴陀螺仪的尺寸和性能。
[0006]本申请实施例提供了一种传感器设计结构，适用于三轴MEMS陀螺仪的结构设计，该结构包括：基底，位于基底上的锚定框架10，所述锚定框架10内的XY轴检测质量组20、Z轴检测质量组30、第一检测装置组40、第二检测装置组50、旋转框架60、驱动框架70、驱动弹簧80、Z轴检测弹簧90和驱动传递梁100；以所述锚定框架10为布局面，所述Z轴检测质量组30、所述第二检测装置组50、所述驱动框架70、所述驱动弹簧80和所述Z轴检测弹簧90对称设置于所述锚定框架10两侧，所述旋转框架60位于所述驱动框架70之间，且容置有所述XY轴检测质量组20和所述第一检测装置组40；所述Z轴检测质量组30设置于所述驱动框架70内，且通过所述Z轴检测弹簧90与所述驱动框架70互连；所述驱动框架70的短边两侧通过所述驱动弹簧80与所述锚定框架10连接；所述驱动框架70的长边一侧通过所述驱动传递梁100连接所述XY轴检测质量组20所在的旋转框架60；XY轴检测质量组20用于被驱动后绕结构中心在X方向和Y方向组成的平面内旋转；Z轴检测质量组30用于在驱动装置驱动后沿Y方向移动；第一检测装置组40用于检测绕X方向和绕Y方向的角速度；第二检测装置组50用于
检测绕Z方向的角速度；旋转框架60用于框架内部置入所述XY轴检测质量组20，所述驱动装置设置在所述旋转框架60外部；所述驱动弹簧80用于带动所述驱动框架70向Y方向运动；所述驱动框架70用于驱动后通过所述旋转框架60带动所述XY轴检测质量组20运动；其中，X方向垂直于Y方向，Z方向垂直于X方向及Y方向。
[0007]可选的，所述XY轴检测质量组20由XY轴检测质量块21构成，所述第一检测装置组40包括X轴检测极板41和Y轴检测极板42；所述X轴检测极板41在Y方向对称设置于所述XY轴检测质量块21左右侧，所述Y轴检测极板42在X方向对称设置于所述XY轴检测质量块21上下侧；所述X轴检测极板41和所述Y轴检测极板42与所述XY轴检测质量块21位于不同平面，且中间存在微小间隙用于形成检测电容组。
[0008]所述XY轴检测质量块21通过连接梁22与所述旋转框架60连接，以所述连接梁22为轴心，所述XY轴检测质量块21进行X或Y平面内的旋转。
[0009]可选的，所述连接梁22包括沿Y方向设置的第一连接梁，以及沿X方向设置在所述旋转框架60两侧并与所述驱动框架70相连接的第二传递梁。
[0010]可选的，X轴检测模态下，所述XY轴检测质量块21左右侧在Z方向沿旋转中心反向运动，所述X轴检测极板41用于检测绕X方向的角速度；Y轴检测模态下，所述XY轴检测质量块21上下侧在Z方向沿旋转中心反向运动，所述Y轴检测极板42用于检测绕Y方向的角速度；在所述驱动装置和传动结构的作用下，对称设置的Z轴检测质量组30沿Y方向反向运动。
[0011]可选的，在所述锚定框架10两侧的对称设置处，所述Z轴检测质量组30至少由两个Z轴检测质量块31组成，所述第二检测装置组50至少由两个Z轴检测极板51组成，每一个Z轴检测极板51设置在对应的Z轴检测质量块31处；各Z轴检测质量块31通过至少一组所述Z轴检测弹簧90与所述驱动框架70互连，所述Z轴检测弹簧90在Y方向上使与相连结构同步运动，在X方向上可产生相对运动；所述Z轴检测极板51设有固定梳齿组通过锚点11固定在所述基底上，且所述Z轴检测极板51设有可动梳齿组固定在对应的Z轴检测质量块31上；Z轴检测模态下，所述固定梳齿组和所述可动梳齿组之间发生距离变化，所述Z轴检测极板51用于检测绕Z方向的角速度。
[0012]可选的，所述驱动装置包括至少一个驱动单元和至少一个驱动检测单元；所述至少一个驱动单元设有固定梳齿组通过相应锚点固定在所述基底上，所述至少一个驱动检测单元设有固定梳齿组通过相应锚点固定在所述基底上；一个驱动单元和一个驱动检测单元构成一个驱动结构，所述驱动装置包括至少两个驱动结构，所述至少两个驱动结构可沿对所述Z轴检测质量块31的对称轴对称设置，且所述对称轴两边的驱动结构的运动方向相反，或所述至少两个驱动结构对角设置。
[0013]可选的，至少包括两个驱动框架70设置在所述锚定框架10内，且对应设置有驱动用的驱动电容组和驱动检测电容组；
可选的，所述锚定框架10为所述传感器设计结构的支撑装置，所述锚定框架10通过锚点11固定在所述基底上，并相对于所述基底不发生移动。
[0014]可选的，所述基底上的锚点11为所述传感器设计结构的支撑装置。
[0015]可选的，驱动及检测方式为静电、压电、压阻、磁、热中的至少一种。
[0016]本申请提供的一种传感器设计结构，适用于三轴MEMS 陀螺仪的结构设计，至少包括如下优点：1、设计有旋转框架，用于运动传递；2、X/Y轴检测共享质量块，结构方面节省了驱动结构的面积，有效缩小了芯片整体尺寸；3、锚定框架上的锚点依据芯片在晶圆不同位置上的不同应力表现，可进行相应调整，以抵消或部分抵消MEMS制造工艺或封装应力影响，提升芯片性能；4、由于使用了如前所述的整体结构布局，因此本专利技术中的三轴MEMS 陀螺仪结构紧凑、整体面积小、生产成本较低。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器设计结构，其特征在于，适用于三轴MEMS陀螺仪的结构设计，该结构包括：基底，位于基底上的锚定框架(10)，所述锚定框架(10)内的XY轴检测质量组(20)、Z轴检测质量组(30)、第一检测装置组(40)、第二检测装置组(50)、旋转框架(60)、驱动框架(70)、驱动弹簧(80)、Z轴检测弹簧(90)和驱动传递梁(100)；以所述锚定框架(10)为布局面，所述Z轴检测质量组(30)、所述第二检测装置组(50)、所述驱动框架(70)、所述驱动弹簧(80)和所述Z轴检测弹簧(90)对称设置于所述锚定框架(10)两侧，所述旋转框架(60)位于所述驱动框架(70)之间，且容置有所述XY轴检测质量组(20)和所述第一检测装置组(40)；所述Z轴检测质量组(30)设置于所述驱动框架(70)内，且通过所述Z轴检测弹簧(90)与所述驱动框架(70)互连；所述驱动框架(70)的短边两侧通过所述驱动弹簧(80)与所述锚定框架(10)连接；所述驱动框架(70)的长边一侧通过所述驱动传递梁(100)连接所述XY轴检测质量组(20)所在的旋转框架(60)；XY轴检测质量组(20)用于被驱动后绕结构中心在X方向和Y方向组成的平面内旋转；Z轴检测质量组(30)用于在驱动装置驱动后沿Y方向移动；第一检测装置组(40)用于检测绕X方向和绕Y方向的角速度；第二检测装置组(50)用于检测绕Z方向的角速度；旋转框架(60)用于框架内部置入所述XY轴检测质量组(20)，所述驱动装置设置在所述旋转框架(60)外部；所述驱动弹簧(80)用于带动所述驱动框架(70)向Y方向运动；所述驱动框架(70)用于驱动后通过所述旋转框架(60)带动所述XY轴检测质量组(20)运动；其中，X方向垂直于Y方向，Z方向垂直于X方向及Y方向。2.根据权利要求1所述的传感器设计结构，其特征在于，所述XY轴检测质量组(20)由XY轴检测质量块(21)构成，所述第一检测装置组(40)包括X轴检测极板(41)和Y轴检测极板(42)；所述X轴检测极板(41)在Y方向对称设置于所述XY轴检测质量块(21)左右侧，所述Y轴检测极板(42)在X方向对称设置于所述XY轴检测质量块(21)上下侧；所述X轴检测极板(41)和所述Y轴检测极板(42)与所述XY轴检测质量块(21)位于不同平面，且中间存在微小间隙用于形成检测电容组。所述XY轴检测质量块(21)通过连接梁(22)与所述旋转框架(60)连接，以所述连接梁(22)为轴心，所述XY轴检测质量块(21)进行X或Y平面内的旋转。3.根据权利要求2所述的传感器设计结构，其特征在于，所述连接梁(22)包括沿Y方向设置的第一连接梁，以及沿X方向设置在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，
申请(专利权)人：无锡莱斯能特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：