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具体实施方式

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下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。微机械陀螺仪即MEMS陀螺仪，MEMS陀螺仪被普遍运用到各种便携式电子设备比如手机、IPAD、AR\VR穿戴设备等。常用于检测与旋转相关的物理量，如角速度。微机械陀螺仪可实现用户与设备的体感交互，具有广泛的应用前景。

需要说明的是，微机械陀螺仪利用科里奥利力(即哥氏力，又称科氏力)的产生原理从而实现对角速度的检测。哥氏力是处于转动参考系中的物体在运动时受到的一种惯性力。在微机械陀螺仪的设计中，首先需要制造一个运动的质量块。此时，质量块处于惯性系中，仅保持预设的运动状态，这种运动状态被称为驱动模态。将处于驱动模态下的质量块旋转时，由于惯性，质量块将会保持原有的驱动模态下的运动。但是，站在转动系中观察所述质量块时，可以发现质量块在角速度方向的垂直方向上产生了位移。此时，可以认为所述质量块在垂直于角速度的方向上受到了惯性力，这种惯性力被称为哥氏力，可由右手定则确定哥氏力的方向。站在转动系中观察所述质量块，质量块除了保持原有的运动之外，还在哥氏力的方向上产生了位移，这种运动状态被称为检测模态。检测质量块在哥氏力方向上的位置变化，并将位置变化转换成电信号进行输出。通过测量质量块在哥氏力方向上的位移可计算得出角速度的大小，实现对角速度的检测。

微机械陀螺仪以哥氏效应为原理进行检测，因此可以测量与角速度相关的物理量。示例性的，微机械陀螺仪可以测量翻转量、倾斜量、角速度、或角加速度等。微机械陀螺仪可以测量诸多待测量中的一种，也可以是对多种待测量同时测量。需要说明的是，位于为XOY平面的物体，该物体沿坐标系X轴的旋转称为翻转，沿坐标系Y轴旋转称为倾斜，翻转或倾斜本质上都是旋转，都与角速度有关。可以理解的是，将X轴与Y位置对调，用于检测翻转量的微机械陀螺仪可以变为用于检测倾斜量的微机械陀螺仪，用于检测倾斜量的微机械陀螺仪也可以变为用于检测翻转量的微机械陀螺仪。

请参阅图1和图2，图1为本发明提供的第一种微机械陀螺仪的结构示意图，图2为图1中微机械陀螺仪沿P-P方向的剖视图。本申请实施例提供一种微机械陀螺仪100，微机械陀螺仪100包括基底1、至少两个检测结构4以及耦合梁7。基底1用于为各部件提供支撑，检测结构4用于检测待测量。其中，检测结构4固定于基底1，相邻检测结构4通过耦合梁7连接以形成机械耦合。

每一检测结构4包括锚点3、圆环形振动结构2、多个面内换能器8以及多个面外换能器9。其中，锚点3固定于基底1上，圆环形振动结构2悬置于基底1上并与锚点3形成机械耦合，圆环形振动结构2通过锚点3与基底1连接。圆环形振动结构2用于在哥氏力的作用下产生相应的位移变化，面内换能器8用于耦合检测结构所在平面内的机械场与电场，面内换能器8可以实现电能与圆环形振动结构2的面内机械能之间的转化，即面内换能器8可以驱动圆环形振动结构2的面内运动，或将圆环形振动结构2的面内位移转化成电信号。面外换能器9用于耦合检测结构所在平面外的机械场与电场，面外换能器9可以实现电能与圆环形振动结构2的面外机械能之间的转化，即面外换能器9可以驱动圆环形振动结构2的面外运动，或将圆环形振动结构2的面外位移转化成电信号。面内换能器8与面外换能器9配合实现检测结构4对待测量的检测。

面内换能器8绕圆环形振动结构2的中心分布在圆环形振动结构2的外侧，每一面内换能器8均与基底1固定连接，相邻两个面内换能器8间隔设置；面外换能器9绕圆环形振动结构2的中心分布于圆环形振动结构2的上方或下方，具体的，在本实施方式中，面外换能器9绕圆环形振动结构的中心分布于圆环形振动结构2与基底1之间，作为替代的，面外换能器9也可以绕圆环形振动结构的中心分布于圆环形振动结构2远离基底1的一侧。在本实施方式中，每一面外换能器9均与基底1固定连接且与圆环形振动结构2间隔设置，相邻两个面外换能器9间隔设置。

其中，一检测结构4中的圆环形振动结构2与相邻的检测结构4中的圆环形振动结4构通过耦合梁7连接，以使两个相邻的检测结构4的运动关联。可以理解的是，单个检测结构4可以实现对待测量的检测，多个检测结构4通过耦合梁7连接，实现彼此之间的运动关联。示例性的，微机械陀螺仪包括2个检测结构4，共包含两个圆环形振动结构2。在驱动模态下，可以驱动这圆环形振动结构2同相运动。两个圆环形振动结构2同相运动可以提高电信号的强度，进而提高灵敏度。当然，这两个振动结构也可以反相运动，从而实现对待测量的差分检测。

检测结构4工作在两个体振动模态中，两个体振动模态包括工作在检测结构4面内的3θ体振动驱动模态，以及工作在检测结构4面外的第2阶弯曲体振动检测模态。

请参阅图3，图3为申请实施例中以3θ振型运动进入检测模态的微机械陀螺仪接收到X轴角速度时理论上的所受哥氏力的示意图。当圆环形振动结构2以3θ体振动进入驱动模态时，当该微机械陀螺仪接收到沿X轴的角速度ω_X时，理论上，圆环形振动结构2会区分出四个等分均布的区域，根据右手定则判定哥氏力方向，相邻两个区域内的质点所受的哥氏力F_k方向相反。理论检测模态下，圆环形振动结构2对称的两端向Z轴正方向运动，另外对称的两端向Z轴负方向运动。

实际检测中，请参阅图4，图4为本申请实施例中以3θ振型运动进入检测模态的微机械陀螺仪接收到X轴角速度时激发出的实际的检测模态示意图。检测模态可以为结构面外的第2阶弯曲振型，这与驱动模态激发的理论上的哥氏力的方向相匹配。当圆环形振动结构的驱动模态为面内3θ振型时，圆环形振动结构受到的哥氏力，与第2阶弯曲振型下圆环形振动结构的运动方向相同。实现了理论与实际情况的匹配，提高了检测灵敏度。

需要说明的是，实际应用中，并不是所有处于驱动模态下的部分都能参与哥氏运动，或者产生的位移都能与理论上的位移方向和位移量相一致。实际产品在应用过程中，质量块中存在某些部分会在哥氏力的作用下产生“正确方向”上的位移，质量块中也存在另外一些部分会因各种原因不发生位移，或者产生与理论上不符合的位移。相关技术中，圆环形振动结构通常采用面内2θ振型作为驱动模态，采用面外第3阶弯曲振型为检测模态。理论上，采用面内2θ振型，在接收到X轴负方向的角速度时，圆环形振动结构的上半部分受到的哥氏力为Z轴正方向，下半部分受到的哥氏力为Z轴负方向(或者上半部分的哥氏力为Z轴负方向，下半部分为Z轴正方向)。理论上，圆环形振动结构应该绕X轴翻转。但实际上，圆环形振动结构以面外第3阶弯曲振型进入检测模态。处于面内2θ振型下的圆环形振动结构所受到的哥氏力的方向，与面外第3阶弯曲振型下圆环形振动结构的运动方向不相同。这种实际与理论的不匹配，导致了陀螺仪的灵敏度较低。驱动模态(面内2θ振型)与检测模态(面外第3阶弯曲振型)的匹配度差，哥氏增益仅为0.29，品质因数低，灵敏度低。而本申请实施例中，微机械陀螺仪100以面内的3θ体振动为驱动模态，以面外的第2阶弯曲体振动为检测模态。处于驱动模态下的圆环形振动结构2接收到待测量后所受到的哥氏力的方向，与检测模态下圆环形振动结构2的运动方向相同，减少了驱动模态与检测模态不匹配的情况，提高了检测灵敏度。

需要说明的是，微机械陀螺仪100也可以工作在检测结构4面外的第2阶弯曲体振动驱动模态，以及工作在检测结构4面内的3θ体振动检测模态。面内换能器8可以驱动圆环形振动结构2以面内3θ体振动进入驱动模态，相应的，面外换能器9检测圆环形振动结构2面外第2阶弯曲体振动下的位移变化。面外换能器9也可以驱动圆环形振动结构2以面外第2阶弯曲体振动进入驱动模态，相应的，面内换能器8检测圆环形振动结构2在面内3θ体振动下的位移。

面内换能器8、面外换能器9的形式均可以但不限于电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合。面内换能器8、面外换能器9可以产生激励圆环形振动结构2以驱动模态振型振动所需的外部驱动力，还可以获取驱动模态的振动位移以及检测模态的振动位移。可以匹配驱动模态与检测两模态间的频率，并起到抑制结构的正交误差的作用。

可以理解的是，待测量通常具有方向和大小的矢量，微机械陀螺仪是根据振动结构上的不同部分的位移变化量来计算得出待测量。通常情况下，微机械陀螺仪的质量分布需要高度对称，在测量大小相同但方向不同的待测量时，如果质量结构不对称，虽然能测量出待测量的方向，但是测出的待测量的大小很有可能不同，因为结构的不对称容易导致位移变化量不同。相应的，面内换能器8和面外换能器9也可以对称布置。

面内换能器8与圆环形振动结构2的面内运动相关，示例性的，根据面内3θ振型的运动特征，圆环形质量的位移主要发生在圆环形振动结构2的径向上。面内换能器8与圆环形振动结构2间隔设置，用于驱动或者检测圆环形振动结构2的面内的径向运动。因此，面内换能器8需要与圆环形振动结构2大致设置于同一平面。面内换能器8可以设置于圆环形振动结构2的外周缘，也可以设置于圆环形振动结构2的内周缘。面内换能器8的一端可以与基底1连接，即面内换能器8可以固定在基底1上，面内换能器8也可以不固定在基底1上，而通过其他结构与控制元件电连接。

面内换能器8的数量不做限制，能与圆环形振动结构2的面内3θ振型适配即可。为了更好的适配面内3θ振型，提高面内换能器8的效率，面内换能器8的数量可以为3N个，N为大于或等于1的整数。3N个面内换能器8绕所述圆环形振动结构2的圆心O均匀分布。

当N＝1时，面内换能器8的数量为3个，3个面内换能器8可以间隔120°地均匀地分布在圆环形振动结构2的外周缘。当N＝2时，面内换能器8的数量为6个，6个面内换能器8可以间隔60°均匀地分布在圆环形振动结构2的外周缘。

可以理解的是，当以面内3θ体振动为驱动模态时，圆环形振动结构2上的每一质点的运动状态都需要符合面内3θ体振动的运动形式。实际应用中，圆环形振动结构2的运动不一定完全吻合面内3θ体振动，不同的驱动模态能激发不同的检测模态，因此，实际驱动模态的准确性对微机械陀螺仪100的检测质量十分重要。为了使圆环形振动结构2上各质点的运动更吻合面内3θ体振动，可以将面内换能器8制作成为弧形，当面内换能器8为弧形时，面内换能器8与圆环形振动结构2上同一圆周上的质点的距离相等。当然，相邻两个面内换能器8之间的距离可以尽量减小，以增加对每一质点控制的准确性。当然，面内换能器8也可以为直线型。

面外换能器9与圆环形振动结构2的面外运动相关，示例性的，圆环形振动结构2的面外第2阶弯曲振型下，其位移在圆环形振动结构2的轴向上，面外换能器9不必与圆环形振动结构2设置于同一平面。面外换能器9可以设置于基底1上，与圆环形振动结构2朝向基底1的一面相对。也可以不设置在基底1上，而设置在圆环形振动结构2远离基底1的一侧。

面外换能器9的数量不做限制，能与圆环形振动结构2的面外第2阶弯曲振型适配即可。为了进一步提高面外换能器9的效率，微机械陀螺仪100还包括设置在所述基底1上的2N个面外换能器，所述面外换能器9的数量为2N个，所述2N个面外换能器9绕所述圆环形振动结构2的圆心O均匀分布，所述2N个面外换能器9在所述基底1的正投影位于所述圆环形振动结构2在所述基底1上的正投影内。

当N＝1时，面外换能器9的数量为2个，2个面内换能器8可以间隔180°地均匀地绕圆心O分布。当N＝2时，面内换能器8的数量为4个，4个面内换能器8可以间隔90°均匀地绕圆心O分布。

面外换能器9需要能准确地将圆环形振动结构2上的每一点都按照预设的运动状态运动，或者在检测模态下，能准确的检测到质点的位移。为了使圆环形振动结构2上各质点的运动更适配面外第2阶弯曲振型，可以将面外换能器9制作成为弧形，当面外换能器9为弧形时，面外换能器9与圆环形振动结构2上同一圆周上的质点的距离相等。该圆周上的每一质点均可以受到面外换能器9的驱动力，或者，每一质点检测模态下的位移均能被面外换能器9检测到。多个换能器也可以为直线型间隔的均匀围绕圆心O设置。当然，相邻两个面外换能器9之间的距离可以尽量减小，以增加驱动或检测的准确性。

锚点3用于将圆环形振动结构2连接在基底1上。锚点3可以位于圆环形振动结构2内，即设置于圆环形振动结构2的圆心O处，锚点3也可以设置于圆环形振动结构2外。当圆环形振动结构2套设于所述锚点3外时，圆环形振动结构2可以与锚点3抵接固定，也可以与锚点3间隔设置。

需要说明的是，基底1上设置有绝缘层6，所述锚点3、所述面内换能器8以及所述面外换能器9均通过所述绝缘层6与所述基底1连接。

请参阅图5和图6，图5为本发明提供的第二种微机械陀螺仪的结构示意图，图6为图5中微机械陀螺仪沿H-H方向的剖视图。为了避免锚点3对圆环形振动结构2约束过度，造成过多的锚点3损失。可以在锚点3和圆环形振动结构2之间设置多个连接梁5，连接梁5的设置，一方面可以将圆环形振动结构2连接。另一方面，可以避免锚点3对振动结构约束过度，造成圆环形振动结构2的驱动模态或者检测模态下的位移过小，影响微机械陀螺仪100的灵敏度。

连接梁5的数量不做限制，但圆环形振动结构2的面内3θ振型其具有一定的对称性，如果结构上存在不对称的状况，有可能会对能量的转换效率或者实际的运动模态产生一定的影响。因此，根据面内换能器8的数量，连接梁5也可以设置为3M个，同样也是绕圆心O均匀分布。其中，连接梁可以包括第一支撑梁51和第二支撑梁52，第一支撑梁51与第二支撑梁52对称设置。

当圆环形振动结构2的数量为3个时，请参阅图7，三个圆环形振动结构2可以依次串联。当然，也可以是呈三角形连接等，如图8所示。相应的，微机械陀螺仪100可以包括多个耦合梁7。可以理解的是，耦合梁7的设置可以将前一圆环形振动结构2的振动传递到下一圆环形振动结构2，实现能量传递，从而降低驱动电压，避免非线性，也可以增大与正交模态的频率差。

请参阅图9，图9为本发明提供的第一种微机械陀螺仪的使用方法。

微机械陀螺仪100的使用方法包括：

101、圆环形振动结构以面内3θ体振动进入驱动模态。

102、微机械陀螺仪接收待测量；

103、圆环形振动结构以面外第2阶弯曲体振动进入检测模态。

需要说明的是，微机械陀螺仪100可以选择不同的模态作为驱动模态，不同的驱动模态可以激发不同的检测模态，驱动模态与检测模态的匹配度会影响到检测精度。本申请实施例中，微机械陀螺仪100也可以选择其他振型进入驱动模态。

请参阅10，图10为本发明提供的第二种微机械陀螺仪的使用方法。

使用方法包括:

201、圆环形振动结构以面外的第2阶弯曲振型进入驱动模态；

202、微机械陀螺仪接收待测量；

203、圆环形振动结构以面内3θ振型进入检测模态。

需要说明的是，第二种使用方法与第一种使用方法相比，互换了检测模态与驱动模态下的运动形式。在不改变微机械陀螺仪100结构的前提下，改变驱动模态的振型，可以实现不同精度的检测作业。

另以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。