[实用新型]四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，属于微机电系统（MEMS）技术领域。

背景技术

微机械陀螺仪是利用科氏力来测量物体转动角速度的一类惯性传感器。和传统陀螺仪相比，微机械陀螺仪具有体积小，质量轻，价格低廉，更适合大批量生产等特点。传统陀螺仪，包括机械陀螺仪，激光陀螺仪，光纤陀螺仪等等，一直广范应用于飞行器稳定控制，武器导航制导，汽车安全等领域，由于这些陀螺仪体积大，成本高而不适合应用于消费类电子产品。近年来，随着MEMS技术的发展，微机械陀螺仪正逐渐应用于消费类电子产品，如数码相机的图像稳定，游戏机的控制手柄，手机功能控制以及和微加速度传感器构成的微导航仪等等。

微机械陀螺仪有两个工作模态：驱动模态和检测模态，两个模态之间的机械耦合是微机械陀螺仪的一个重要误差源。想要获得高性能的微机械陀螺仪，就必须要对两个工作模态进行解耦。解耦分为一级解耦和二级解耦（即全解耦）。一级解耦结构驱动（或检测）部分的运动是独立的，而检测（或驱动）部分的运动会受到影响。全解耦是驱动与检测运动完全独立，不互相影响。从目前国际上陀螺研究进展来看，几乎所有高性能陀螺仪均具备解耦结构，但大部分是单质量块或者双质量块的解耦，其检测模态的运动或多或少的依然会受到驱动模态的影响从而引起正交误差，从而限制器件性能。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何简单有效的解决微机械陀螺驱动模态和检测模态之间的机械耦合，以实现一种高性能的电容式微机械陀螺仪。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供一种电容式微机械陀螺仪，实现微机械陀螺仪在驱动模态和检测模态之间的机械解耦，以实现高性能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种四质量块全解耦电容式单轴微机械陀螺仪，包括衬底、四个质量块、驱动结构、检测结构和弹性连接结构；所述驱动结构包括驱动框架，驱动梳齿电极组和驱动反馈梳齿电极组；所述驱动框架悬浮在所述衬底之上呈正方形排列，并且其中心与所述衬底中心重合；所述驱动梳齿电极组包括驱动活动梳齿电极和驱动固定梳齿电极；所述驱动反馈梳齿电极组包括驱动反馈活动梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极；所述驱动活动梳齿电极和驱动反馈活动梳齿电极分别连接在所述驱动框架上，所述驱动固定梳齿电极和驱动反馈固定梳齿电极分别固定于所述衬底上；所述驱动梳齿电极组包括四组第一驱动齿和八组第二驱动齿；所述四组第一驱动齿分别沿从所述衬底中心出发的射线方向排列，分别位于正交的X轴和Y轴组成的正交坐标系的左上、右上、左下、右下45度的位置；所述八组第二驱动齿的其中两组分别位于其中一组所述第一驱动齿的两侧，也沿从所述衬底中心出发的射线方向排列并与第一驱动齿呈一固定的夹角的位置上；所述驱动反馈梳齿电极组分为四组，分别位于所述驱动框架的上、下、左、右之外，并对称设置；四个所述质量块悬浮在所述衬底之上，分别位于驱动框架的上、下、左、右四个方向并对称分布，分别位于所述驱动反馈梳齿电极组的外侧；所述检测结构包括四组检测框架和四组检测梳齿电极组，所述四组检测框架浮在所述衬底之上也呈正方形排列，所述检测梳齿电极组包括第一活动梳齿电极和第一固定梳齿电极，所述第一活动梳齿电极连接在所述检测框架上，所述第一固定梳齿电极固定于衬底之上；所述弹性连接结构包括多个第一U型折叠梁、第二U型折叠梁、“中”字型折叠梁、第一L型折叠梁、第二L型折叠梁和U型脐带梁；所述四个质量块分别通过四个所述第一U型折叠梁和两个第二U型折叠梁与所述驱动框架、检测框架连接，其中，四个所述第一U型折叠梁悬浮在衬底之上，一端连接于所述检测框架的内侧，另一端连接于质量块的外侧；两个所述第二U型折叠梁悬浮在衬底之上，一端连接于所述质量块上端外侧，另一端连接于所述驱动框架的外侧；所述驱动框架通过四个所述“中”字型折叠梁与所述衬底连接，四个所述“中”字型折叠梁均布在所述驱动框架的内侧，其一端连接所述驱动框架，另一端通过第一锚点固定于所述衬底上；所述第一L型折叠梁为四个，分布于所述检测框架外侧的上、下、左、右四个位置，每个所述第一L型折叠梁的一端连接于检测框架的下端外侧，另一端通过第二锚点固定于所述衬底上；第二L型折叠梁也为四个，其一端连接于所述检测框架的上端外侧，另一端通过第三锚点固定于衬底上；所述U型脐带梁为四组，分别将相邻的检测框架相连以实现四个检测框架的同步收缩或者扩张。