一种三轴陀螺仪制造技术

本发明专利技术提供一种三轴陀螺仪，其包括：第一驱动框架，其位于左侧，其能够沿X轴进行左右方向的谐振运动；第二驱动框架，其位于右侧，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外侧的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。与现有技术相比，本发明专利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，从而可减小正交误差，提高检测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种三轴陀螺仪
本专利技术涉及微机械系统
，尤其涉及一种三轴陀螺仪。
技术介绍
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。陀螺的发展大致可分为三个阶段：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。随着消费市场的需求量增大，对MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)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。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。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
本专利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。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种三轴陀螺仪，其包括：第一驱动框架，其位于左侧，其能够沿X轴进行左右方向的谐振运动；第二驱动框架，其位于右侧，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外侧的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。与现有技术相比，本专利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】为了更清楚地说明本专利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专利技术的一些实施例，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：图1为本专利技术在一个实施例中的三轴陀螺仪的整体结构示意图；图2为本专利技术的图1所示的X/Y陀螺结构的结构示意图；图3为本专利技术的图1所示的X/Y中心耦合梁结构的结构示意图；图4为本专利技术的图1所示的Z陀螺结构的结构示意图；图5为本专利技术中图1所示的三轴陀螺仪驱动状态时的示意图；图6为本专利技术中图1所示的三轴陀螺仪X轴检测时的示意图；图7为本专利技术中图1所示的三轴陀螺仪Y轴检测时的示意图；图8为本专利技术中图1所示的三轴陀螺仪Z轴检测时的示意图；图9为图1所示的驱动框架区域的放大示意图；图10为图1所示的斜梁区域的放大示意图；图11为图1所示的Z质量块区域的放大示意图。其中，1a-左驱动框架(或第一驱动框架)；1b-右驱动框架(或第二驱动框架)；2a-X上质量块(或第一质量块)；2b-X下质量块(或第二质量块)；2c-Y左质量块(或第三质量块)；2d-Y右质量块(或第四质量块)；2e-Z左质量块(或第一Z质量块)；2f-Z右质量块(或第二Z质量块)；2g-左检测框架(或第一Z检测框架)；2h-右检测框架(或第二Z检测框架)；3a.1～3a.8-驱动电极；3b.1～3b.8-驱动反馈电极；3c.1和3c.2-Y轴检测电极；3d.1和3d.2-X轴检测电极；3e.1-第一Z轴检测电极，3e.2-第二Z轴检测电极；4a.1～4a.4-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.1～4d.4-X质量块支撑梁；4e.1～4e.4-Y质量块支撑梁；4f.1～4f.4-斜梁；4g.1和4g.2-X质量块耦合梁(或X/Y质量块耦合梁)；4h.1和4h.2-Y质量块耦合梁(或X/Y质量块耦合梁)；4i-X/Y中心耦合机构；4j-X/Y中心耦合梁；4j.1-十字型耦合中心梁；4j.2-第一耦合折叠梁；4j.3-第二耦合折叠；4j.4-L型中间支撑梁；4k.1～4k.8-Z检测框架支撑梁；4L.1～4L.8-Z检测框架耦合梁；4m.1～4m.4-第一Z检测梁；4m.5～4m.8-第二Z检测梁；5a.1～5a.4-驱动框架支撑梁锚点；5b.1～5b.4-X质量块锚点；5c.1～5c.4-Y质量块锚点；5d.1～5d.4-X/Y中心耦合梁锚点；5e.1～5e.8-Z检测框架支撑梁锚点；5f.1～5f.8-Z检测框架耦合梁锚点。【具体实施方式】为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三轴陀螺仪，其特征在于，其包括：/n第一驱动框架，其位于左侧，其能够沿X轴进行左右方向的谐振运动；/n第二驱动框架，其位于右侧，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；/n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；/n连接于第一驱动框架和第二驱动框架外侧的Z陀螺结构；/n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。/n

【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，其位于左侧，其能够沿X轴进行左右方向的谐振运动；
第二驱动框架，其位于右侧，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外侧的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。


4.根据权利要求2所述的三轴陀螺仪，其特征在于，
所述第一驱动框架和第二驱动框架平行于Y轴放置，
所述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左侧和右侧；
所述第二驱动框架两侧为所述第二驱动框架的左侧和右侧。


5.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，第三质量块通过第一X/Y驱动耦合梁与第一驱动框架相连，第四质量块通过第二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驱动耦合梁带动第三质量块沿X轴进行谐振运动，第二驱动框架通过第二X/Y驱动耦合梁带动第四质量块沿X轴进行与第三质量块反向的谐振运动，第三质量块和第四质量块通过相应的斜梁进而带动第一质量块沿Y轴进行谐振运动，通过相应的斜梁进而带动第二质量块沿Y轴进行与第二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。


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：
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；
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6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5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6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中心耦合机构通过所述四个连接梁与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...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希聪，凌方舟，蒋乐跃，苏云鹏，
申请(专利权)人：美新半导体天津有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12