一种MEMS陀螺仪及电子设备的制作方法

一种mems陀螺仪及电子设备
技术领域
1.本实用新型属于电子元件技术领域，具体涉及一种mems陀螺仪及电子设备。


背景技术：

2.mems陀螺仪是应用微机械加工技术与微电子工艺制作的一种微型角速度传感器。典型结构有音叉式、环式、嵌套环式、圆盘、半球陀螺仪等。mems质量分布式陀螺仪是一种新型的陀螺仪，此类陀螺仪和mems环形陀螺仪一样拥有退化模态，从而拥有高度对称性的驱动、检测模态，通过检测模态的能量计算角速度输入的大小。
3.传统的mems陀螺仪存在驱动/检测电容小、哥氏增益不高等缺点。
4.针对上述问题，有必要提出一种设计合理且可以有效改善上述问题的一种mems陀螺仪及电子设备。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种mems陀螺仪及电子设备。
6.本实用新型的一方面提供一种mems陀螺仪，包括内部耦合梁、外部耦合梁、连接于所述内部耦合梁的外侧交替设置的驱动结构以及检测结构、与所述驱动结构机械耦合的外部锚点以及与所述检测结构机械耦合的内部锚点；
7.所述驱动结构包括多个驱动质量块，所述检测结构包括多个检测质量块；多个所述驱动质量块在驱动模态下沿第一振动轴或第二振动轴振动，多个所述检测质量块在检测模态下沿第三振动轴或第四振动轴振动；
8.所述驱动质量块和所述检测质量块的一端与所述内部耦合梁连接，所述驱动质量块和所述检测质量块的另一端通过所述外部耦合梁连接；其中，
9.所述驱动结构还包括连接所述驱动质量块与所述外部锚点的第一解耦结构以及设置于所述第一解耦结构上的第一换能器，所述第一解耦结构配置于所述驱动质量块远离所述内部耦合梁的一侧，所述第一换能器激励所述驱动质量块振动。
10.优选的，所述检测质量块的质量小于所述驱动质量块的质量。
11.优选的，所述驱动结构与所述检测结构通过固体波动方式耦合，所述内部耦合梁和所述外部耦合梁在驱动/检测模态下均发生弹性变形。
12.优选的，所述第一解耦结构包括连接所述驱动质量块与所述第一解耦结构的第一弹性件以及连接所述第一解耦结构与所述外部锚点的第二弹性件。
13.优选的，所述第一弹性件配置为沿所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向具有最大的刚度，且在垂直于所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向上具有最大的弹性；所述第二弹性件配置为沿所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向具有最大的弹性，且在垂直于所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向上具有最大的刚度。
14.优选的，所述检测结构还包括连接所述检测质量块和所述内部锚点的第二解耦结
构，所述检测质量块内部镂空，所述第二解耦结构设置于所述检测质量块内部，所述第二解耦结构设置为与所述检测质量块内部相匹配的框架结构。
15.优选的，所述检测结构还包括设置于所述第二解耦结构内部的第二换能器，所述第二换能器检测所述检测质量块振动的位移。
16.优选的，所述第二解耦结构包括连接所述检测质量块和所述第二解耦结构的第三弹性件以及连接所述第二解耦结构和所述内部锚点的第四弹性件。
17.优选的，所述第三弹性件配置为沿所述检测质量块在检测模态下的振动方向上具有最大的刚度，且在垂直于所述检测质量块在检测模态下的振动方向上具有最大的弹性；所述第四弹性件配置为沿所述检测质量块在检测模态下的振动方向上具有最大的弹性，且在垂直于所述检测质量块在检测模态的振动方向上具有最大的刚度。
18.优选的，其特征在于，所述第一振动轴、所述第二振动轴、所述第三振动轴以及所述第四振动轴位于同一振动平面中，且所述第一振动轴与所述第二振动轴正交设置，所述第三振动轴与所述第四振动轴正交设置，且所述第三振动轴与相邻的第一振动轴或第二振动轴呈45
°
夹角。本实用新型的另一方面提供一种电子设备，所述电子设备包括前文所述的mems陀螺仪。
19.本实用新型实施例的mems陀螺仪及电子设备，mems陀螺仪在驱动质量块远离内部耦合梁的一侧设置有第一解耦结构，并在第一解耦结构上设置有驱动质量块振动的第一换能器，如此设置，使得第一换能器可以拥有更大的布置面积；另在检测质量块内部设置有第二解耦结构，有利于减小正交误差；此外，通过驱动质量与检测质量非对称设置，可有效增大哥氏增益。本实用新型提供的mems陀螺仪相比与现有技术，能够提供更大的振动幅度，更大哥氏增益从而提高mems陀螺仪的灵敏度，同时有效降低了正交误差。此外，驱动结构与检测结构通过固体波动方式耦合，内外耦合梁在驱动/检测模态下均发生弹性变形，使得加工误差既对驱动模态频率有影响也对检测模态频率有影响，保证两模态的频差。
附图说明
20.图1为本实用新型一种mems陀螺仪的结构示意图；
21.图2为图1中a部分的放大图；
22.图3为图1中b部分的放大图；
23.图4为图1中c部分的放大图；
24.图5a为本实用新型一种mems陀螺仪在驱动模态下驱动质量块振动方向示意图；
25.图5b为本实用新型一种mems陀螺仪在检测模态下检测质量块振动方向示意图；
26.图6为本实用新型另一种实施例下的mems陀螺仪的结构示意图。
具体实施方式
27.为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
28.如图1至图4所示，本实用新型的一方面提供一种mems陀螺仪100，包括内部耦合梁110、外部耦合梁120、连接于内部耦合梁110的外侧交替设置的驱动结构130以及检测结构140、固定驱动结构130的外部锚点150以及固定多组检测结构140的内部锚点160。
29.如图1和图5a所示，驱动结构130包括在驱动模态下，沿第一振动轴a振动的第一驱动质量块131以及沿第二振动轴b振动的第二驱动质量块132，第一驱动质量块131包括关于第二振动轴b对称设置的两个，第二驱动质量块132包括关于第一振动轴a对称设置的两个。可以理解的，在其他可选的实施例中，所述第一驱动质量块131可为关于第二振动轴b对称设置的2n个，所述第二驱动质量块132可以关于第一振动轴a对称设置的2n个；在mems陀螺仪100的驱动模态下，第一驱动质量块131与第二驱动质量块132具有相同的振动频率且二者之间的相位差为180度。驱动结构130还包括连接外部锚点150与第一驱动质量块131/第二驱动质量块132的第一解耦结构133，具体的，第一驱动质量块131/第二驱动质量块132通过第一弹性件134与第一解耦结构133连接，第一解耦结构133通过第二弹性件135与外部锚点150连接。
30.如图2所示，第一弹性件134配置为沿第一驱动质量块131/第二驱动质量块132在驱动模态下的振动方向上具有最大的刚度，且在垂直于第一驱动质量块131/第二驱动质量块132在驱动模态下的振动方向上具有最大的弹性；第二弹性件135配置为沿第一驱动质量块131/第二驱动质量块132在驱动模态下的振动方向上具有最大的弹性，且在垂直于所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向上具有最大的刚度。如此设置，本实用新型提供的mems陀螺仪在驱动模态下，第一解耦结构133得以带动第一驱动质量块131/第二驱动质量块132沿着第一振动轴a或第二振动轴振动，mems陀螺仪在检测模态下，第一驱动质量块131/第二驱动质量块132实现平移运动，同时第一解耦结构133不发生位移从而实现该解耦结构运动解耦，其运动不受检测模态的影响，有利于mems陀螺仪的稳定驱动。
31.第一解耦结构133设置于第一驱动质量块131/第二驱动质量块132远离内部耦合梁110的一侧，第一解耦结构133上设置有第一换能器(图中未示出)，第一换能器可以设置为电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合，第一换能器激励所述第一驱动质量块131/第二驱动质量块132振动。由于第一解耦结构133设置于第一驱动质量块131/第二驱动质量块132的外侧，使得设置于其上的第一换能器可以具备更大的布置设计面积，从而提供更大的驱动力，增大驱动振幅，进而提高mems陀螺仪的灵敏度。
32.如图1和图5b所示，检测结构140包括在检测模态下，沿第三振动轴c振动的第三检测质量块141以及沿第四振动轴d振动的第四检测质量块142。第三检测质量块141包括关于第四振动轴d对称设置的两个，第四检测质量块142包括第三振动轴c对称设置的两个，可以理解的，在其他可选实施例中，第三检测质量块141可以设置为关于第四振动轴d对称设置的2n个，第四检测质量块142可以设置为关于第三振动轴c对称设置的2n个。
33.第一振动轴a、第二振动轴b、第三振动轴c以及第四振动轴d位于同一振动平面中，第一振动轴a与第二振动轴b正交设置，第三振动轴c与第四振动轴d正交设置，第三振动轴c与相邻的第一振动轴a或第二振动轴b呈45
°
夹角。
34.第三检测质量块141/第四检测质量块142的内部镂空，其内部设置有与第三检测质量块141/第四检测质量块142内部形状匹配的第二解耦结构143，且第二解耦结构143上设置有用于检测位移的第二换能器(图中未示出)，如此设置，可以提高检测位移的换能器的设置设计面积，从而增大检测信号，提高mems陀螺仪的检测灵敏度。进一步的，如此设置检测质量块，便于使得检测质量块(第三检测质量块141/第四检测质量块142)的质量小于驱动质量块(第一驱动质量块)，如此设置可以大幅提高mems陀螺仪的哥氏增益，提高mems
陀螺仪的灵敏度。
35.检测结构140还包括设置于镂空的第三检测质量块141/第四检测质量块142内部的第二解耦结构143，第二解耦结构143设置为与第三检测质量块141/第四检测质量块142内部相匹配的框架结构；第二解耦结构143连接所述第三检测质量块141/第四检测质量块142和所述内部锚点160。如图1所示，具体的，第二解耦结构143包括连接第三检测质量块141/第四检测质量块142和所述第二解耦结构143的第三弹性件144以及连接所述第二解耦结构143和所述内部锚点160的第四弹性件145。
36.如图3所示，第三弹性件144配置为沿第三检测质量块141/
37.第四检测质量块142在检测模态下的振动方向上具有最大的刚度，且在垂直于第三检测质量块141/第四检测质量块142在检测模态下的振动方向上具有最大的弹性；第四弹性件145配置为沿第三检测质量块141/第四检测质量块142在检测模态下的振动方向上具有最大的弹性，且在垂直于第三检测质量块141/第四检测质量块142在检测模态的振动方向上具有最大的刚度。如此设置，使得第二解耦结构143在驱动模态下第三检测质量块141/第四检测质量块142发生偏转时，不发生位移，实现运动解耦，从而抑制mems陀螺仪的正交误差。
38.如图6所示为本实用新型提供的另一种实施例下的mems陀螺仪200，与上述实施例相同的是，其同样包括交替设置的驱动质量块(231/232)与检测质量块(241/242)，并分别通过第一解耦结构233和第二解耦结构234分别与外部锚点250和内部锚点260机械耦合。如图6所示，其第一解耦结构233上设置有用于驱动驱动质量块(231/232)振动的梳齿电容作为第一换能器236，其第二解耦结构243上设置有用于检测位移的平板电容作为第二换能器246，本实施例中，由于第一解耦结构233设置于驱动质量块(231/232)外侧，显然其上具有更大的设计面积用于设置梳齿电容，从而为mems陀螺仪200带来更大的振动幅度，更大的哥氏增益，同时设置于检测质量块(241/242)内部的第二解耦结构243有利于减小正交误差。与上述实施例不同之处在于，所述第二解耦结构包括与驱动质量块相邻的一对侧边247，所述侧边247均设置与第三振动轴c/第四振动轴d平行设置，如此设置，第二解耦结构243得以具有更加规则的设计面积用于布置第二换能器。
39.本实用新型的另一方面提供一种电子设备，电子设备包括前文所述的mems陀螺仪。mems陀螺仪的具体结构前文已详细描述，在此不再赘述。
40.本实用新型提供的mems陀螺仪在驱动质量块远离内部耦合梁的一侧设置有第一解耦结构，并在第一解耦结构上设置有驱动质量块振动的第一换能器，如此设置，使得第一换能器可以拥有更大的布置面积；另在检测质量块内部设置有第二解耦结构，有利于减小正交误差；此外，通过驱动质量与检测质量非对称设置，可有效增大哥氏增益。本实用新型提供的mems陀螺仪相比与现有技术，能够提供更大的振动幅度，更大哥氏增益，从而提高mems陀螺仪的灵敏度，同时有效降低了正交误差。此外，驱动结构与检测结构通过固体波动方式耦合，内外耦合梁在驱动/检测模态下均发生弹性变形，使得加工误差既对驱动模态频率有影响也对检测模态频率有影响，保证两模态的频差。
41.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实
用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种mems陀螺仪，其特征在于，包括内部耦合梁、外部耦合梁、连接于所述内部耦合梁的外侧交替设置的驱动结构以及检测结构、与所述驱动结构机械耦合的外部锚点以及与所述检测结构机械耦合的内部锚点；所述驱动结构包括多个驱动质量块，所述检测结构包括多个检测质量块；多个所述驱动质量块在驱动模态下沿第一振动轴或第二振动轴振动，多个所述检测质量块在检测模态下沿第三振动轴或第四振动轴振动；所述驱动质量块和所述检测质量块的一端与所述内部耦合梁连接，所述驱动质量块和所述检测质量块的另一端通过所述外部耦合梁连接；其中，所述驱动结构还包括连接所述驱动质量块与所述外部锚点的第一解耦结构以及设置于所述第一解耦结构上的第一换能器，所述第一解耦结构配置于所述驱动质量块远离所述内部耦合梁的一侧，所述第一换能器激励所述驱动质量块振动。2.根据权利要求1所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述检测质量块的质量小于所述驱动质量块的质量。3.根据权利要求1所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述驱动结构与所述检测结构通过固体波动方式耦合，所述内部耦合梁和所述外部耦合梁在驱动/检测模态下均发生弹性变形。4.根据权利要求1所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述第一解耦结构包括连接所述驱动质量块与所述第一解耦结构的第一弹性件以及连接所述第一解耦结构与所述外部锚点的第二弹性件。5.根据权利要求4所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述第一弹性件配置为沿所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向具有最大的刚度，且在垂直于所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向上具有最大的弹性；所述第二弹性件配置为沿所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向具有最大的弹性，且在垂直于所述驱动质量块在驱动模态下的振动方向上具有最大的刚度。6.根据权利要求1所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述检测结构还包括连接所述检测质量块和所述内部锚点的第二解耦结构，所述检测质量块内部镂空，所述第二解耦结构设置于所述检测质量块内部，所述第二解耦结构设置为与所述检测质量块内部相匹配的框架结构。7.根据权利要求6所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述检测结构还包括设置于所述第二解耦结构内部的第二换能器，所述第二换能器检测所述检测质量块振动的位移。8.根据权利要求6所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述第二解耦结构包括连接所述检测质量块和所述第二解耦结构的第三弹性件以及连接所述第二解耦结构和所述内部锚点的第四弹性件。9.根据权利要求8所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述第三弹性件配置为沿所述检测质量块在检测模态下的振动方向上具有最大的刚度，且在垂直于所述检测质量块在检测模态下的振动方向上具有最大的弹性；所述第四弹性件配置为沿所述检测质量块在检测模态下的振动方向上具有最大的弹性，且在垂直于所述检测质量块在检测模态的振动方向上具有最大的刚度。10.根据权利要求1至9任一项所述的mems陀螺仪，其特征在于，所述第一振动轴、所述
第二振动轴、所述第三振动轴以及所述第四振动轴位于同一振动平面中，且所述第一振动轴与所述第二振动轴正交设置，所述第三振动轴与所述第四振动轴正交设置，且所述第三振动轴与相邻的第一振动轴或第二振动轴呈45
°
夹角。11.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至10任一项所述的mems陀螺仪。

技术总结
本实用新型提供一种MEMS陀螺仪，包括内部耦合梁、外部耦合梁、连接于内部耦合梁的外侧交替设置的驱动结构以及检测结构；驱动结构包括多个驱动质量块，检测结构包括多个检测质量块；驱动质量块和检测质量块的一端与内部耦合梁连接，驱动质量块和检测质量块的另一端通过外部耦合梁连接；其中，驱动结构还包括连接驱动质量块与外部锚点的第一解耦结构以及设置于第一解耦结构上的第一换能器，第一解耦结构配置于驱动质量块远离内部耦合梁的一侧，第一换能器激励驱动质量块振动。本实用新型的MEMS陀螺仪能够充分提高第一换能器的布置面积从而实现小驱动电压下的更大振动振幅，进而提高灵敏度。灵敏度。灵敏度。


技术研发人员：杨珊 占瞻 彭宏韬 马昭 阚枭 李杨 黎家健 洪燕 陈秋玉
受保护的技术使用者：瑞声开泰科技(武汉)有限公司
技术研发日：2021.10.25
技术公布日：2022/5/25