[发明专利]一种单芯片三轴陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种三轴MEMS陀螺仪，应用于智能手机、平板电脑、游戏手柄、GPS的盲区导航、汽车等产品，属于微机电系统（MEMS）领域。

背景技术

与传统陀螺仪相比， MEMS陀螺仪具有体积小、可集成化、成本低、能耗低等优点。而MEMS陀螺仪主要利用哥氏力效应来检测角速度的大小，当一质量块在一恒定方向上作简谐振动时，若有另一垂直方向上的角速度输入，则在正交于以上2方向上的第3方向上产生哥氏力，该力作用于质量块上即产生位移变形，可以通过检测该位移变形来得到哥氏力大小，进而得到输入角速度的大小。现有产品中，主要通过静电梳齿激励来产生简谐振动所需要的力，采用电容变化量来衡量位移变化量的大小，进而获得角速度的大小。

而随着MEMS陀螺仪的不断发展，三轴陀螺仪的集成化也是消费类与工业类应用的主要趋势。目前的三轴陀螺仪主要通过封装组合的形式来实现，即将3个单独单轴的陀螺仪芯片封装成一个整体，或一个单轴陀螺与一个双轴陀螺共同封装成一个整体，这样的主要缺点为体积大，封装成本高。

近几年来，不少研究机构寻求新的三轴陀螺仪集成方法，如国外一些MEMS公司生产出了消费类应用的单芯片三轴MEMS陀螺仪。该陀螺仪的主要优点为体积小，成本低，功耗低，因此单芯片集成式MEMS陀螺仪为三轴陀螺仪的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、成本低廉、低功耗的单芯片三轴陀螺仪。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种单芯片三轴陀螺仪，包括：

质量块，所述质量块包括相互耦合的主质量块和耦合质量块，所述主质量块为偶数个且沿Y轴对称设置于所述耦合质量块两侧；

电极层组，所述电极层组包括第一电极层组、第二电极层组和第三电极层组，所述第一电极层组、第二电极层组与所述质量块之间具有间隙，且所述第一电极层组沿Y轴对称设置于所述第二电极层组的两侧，所述第一电极层组位于所述质量块的正投影内，所述第二电极层组位于所述耦合质量块的正投影内，所述第三电极层组包括一组静止型细长平板和一组活动型细长平板，所述第三电极层组通过弹性部件与所述主质量块连接；

驱动梳齿组，所述驱动梳齿组与主质量块连接，用以输入信号并驱动所述主质量块移动。

作为本发明的进一步改进，所述单芯片三轴陀螺仪还包括第一锚点和第二锚点，所述第一锚点与主质量块连接，所述第二锚点与耦合质量块连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一锚点与主质量块之间通过第一弹性部件连接，所述第二锚点与耦合质量块之间通过第二弹性部件连接。

作为本发明的进一步改进，所述第一弹性部件包括长直梁和短梁，所述第一弹性部件与主质量块之间由长直梁连接，所述第一弹性部件与所述第一锚点之间由短梁连接。

作为本发明的进一步改进，所述单芯片三轴陀螺仪还包括检测梳齿组，所述检测梳齿组与所述驱动梳齿组组成闭环负反馈系统。

作为本发明的进一步改进，所述第一电极层组位于所述主质量块的正投影内。

作为本发明的进一步改进，所述第一电极层组位于所述耦合质量块的正投影内。

作为本发明的进一步改进，所述第三电极层组沿Y轴对称设置于所述主质量块内。

作为本发明的进一步改进，所述弹性部件包括支撑梁。

作为本发明的进一步改进，所述驱动梳齿组内包括若干个驱动梳齿，所述每个驱动梳齿内包括一个驱动活动梳齿和一个驱动静止梳齿。

作为本发明的进一步改进，所述主质量块与耦合质量块之间采用耦合梁实现耦合。

本发明具有体积小、成本低廉、低功耗的优点。本发明通过在单芯片上设置相互耦合的主质量块和耦合质量块、以及电极层组，由主质量块、耦合质量块的位移分别改变电极层组与主质量块或耦合质量块间的电容值，再由检测上述电容值实现对哥氏力的检测，进而由哥氏力反应三个轴（X轴、Y轴、Z轴）角速度输入信号的大小。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中实施例一的单芯片三轴陀螺仪结构示意图。

图2为图1中的单芯片三轴陀螺仪的带有剖切面的结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中实施例一的单芯片三轴陀螺仪的整体框架（驱动部分）示意图。

图4为本发明具体实施方式中实施例一的单芯片三轴陀螺仪的整体框架（驱动部分和检测部分）示意图。