Mems陀螺仪
阅读说明：本技术 Mems陀螺仪 (MEMS gyroscope ) 是由 李杨 杨珊 阚枭 占瞻 马昭 谭秋喻 黎家健 洪燕 于 2021-02-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种MEMS陀螺仪,包括内质量环、外质量环、锚点结构、换能器和内外耦合梁,所述内质量环包括4N个呈圆周阵列分布的内质量块和连接在相邻两个所述内质量块之间的内质量耦合梁,其中,N为整数,且N≥2；所述外质量环同轴设置在所述内质量环的外侧,所述外质量环包括分别与4N个内质量块位于同一径向的外质量块和连接在相邻两个外质量块之间的外质量耦合梁；所述内外耦合梁连接在相邻的所述外质量块与所述内质量块之间,能够传递相邻的所述内质量块与所述外质量块之间的径向力。本发明的MEMS陀螺仪具有较大有效质量,提高了分辨率,驱动/检测模态频率相差较小。(The invention provides an MEMS gyroscope, which comprises an inner mass ring, an outer mass ring, an anchor point structure, an energy transducer and an inner-outer coupling beam, wherein the inner mass ring comprises 4N inner mass blocks distributed in a circumferential array and the inner-mass coupling beam connected between every two adjacent inner mass blocks, N is an integer and is more than or equal to 2; the outer mass ring is coaxially arranged on the outer side of the inner mass ring and comprises outer mass blocks which are respectively positioned in the same radial direction with the 4N inner mass blocks and an outer mass coupling beam connected between every two adjacent outer mass blocks; the inner and outer coupling beams are connected between the adjacent outer mass blocks and the inner mass blocks and can transfer radial force between the adjacent inner mass blocks and the outer mass blocks. The MEMS gyroscope has the advantages of large effective mass, improved resolution and small difference of driving/detecting modal frequency.)
【技术领域】
本发明涉及陀螺仪技术领域，具体涉及一种MEMS陀螺仪。
【背景技术】
陀螺仪也称角速度传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器，被广泛应用于便携电子设备、卫星导航、航空航天等各个领域。
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。MEMS环形陀螺仪和MEMS音叉式陀螺仪是振动式MEMS陀螺仪中的典型代表。MEMS环形陀螺仪对称性好，驱动/检测模态频率差小，但有效质量低，对加工误差敏感；MEMS音叉式陀螺仪灵敏度高，但是驱动/检测模态频率差大。因此，有必要提供一种有效质量大、模态频率差小的陀螺仪。
【
发明内容
】本发明的目的在于提供一种MEMS陀螺仪，增大有效质量，减小驱动/检测模态频率差，达到高分辨率和高角速度增益的效果。
本发明的技术方案如下：
一种MEMS陀螺仪，包括
内质量环，所述内质量环包括4N个呈圆周阵列分布的内质量块和连接在相邻两个所述内质量块之间的内质量耦合梁，所述内质量耦合梁能够传递相邻两个所述内质量块之间的周向力，其中，N为整数，且N≥2；
外质量环，所述外质量环同轴设置在所述内质量环的外侧，所述外质量环包括分别与4N个所述内质量块位于同一径向的外质量块和连接在相邻两个所述外质量块之间的外质量耦合梁，所述外质量耦合梁能够传递相邻两个所述外质量块之间的周向力；
锚点结构，所述内质量环和所述外质量环均连接于所述锚点结构；
换能器，所述换能器呈圆周阵列分布，实现结构平面内的机械场与电场的耦合；
内外耦合梁，所述内外耦合梁连接在相邻的所述外质量块与所述内质量块之间，能够传递相邻的所述内质量块与所述外质量块之间的径向力；
所述MEMS陀螺仪能够工作在第一模态和第二模态，所述第一模态和所述第二模态中，同一径向的所述内质量块和所述外质量块均呈现反相振型。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述第一模态和第二模态中，所述内质量块和所述外质量块呈面内类2θ振型或面内类3θ振型。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述内外耦合梁具有用于连接所述外质量块与所述内质量块的连接部，所述内外耦合梁为轴对称结构，所述连接部位于所述内外耦合梁的对称轴上。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述内外耦合梁包括对称设置的两折叠梁，所述折叠梁包括沿径向设置的第一段、连接在所述第一段两端并沿周向延伸的第二段以及连接在所述第二段远离所述第一段并沿径向延伸的连接部，两所述连接部远离所述第二段的一端分别与所述内质量块和所述外质量块连接。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述锚点结构包括中间锚点以及形成在所述中间锚点上的两弹性件，所述中间锚点位于相邻的所述内质量块与所述外质量块之间，所述中间锚点分别通过两所述弹性件与相邻的所述内质量块和所述外质量块连接。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，相邻的所述内质量块与所述外质量块之间的中间锚点有两个，两所述中间锚点沿周向间隔设置。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述弹性件包括弹性件本体、形成在所述弹性件本体上并沿径向延伸的第二折叠梁以及形成在所述弹性件本体上并沿周向延伸的第三折叠梁。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述锚点结构还包括内锚点、内解耦梁、外锚点和外解耦梁，所述内锚点位于所述内质量环的内侧，所述内质量块通过所述内解耦梁与所述内锚点连接，所述内解耦梁隔离所述内质量块的周向运动，传递所述内质量块的径向运动，所述外锚点位于所述外质量环的外侧，所述外质量块通过所述外解耦梁与所述外锚点连接，所述外解耦梁隔离所述外质量块的周向运动，传递所述外质量块的径向运动，连接在同一径向的所述内质量块和所述外质量块上的所述中间锚点、所述内锚点和所述外锚点关于该径向对称设置。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述内解耦梁包括内解耦梁本体、形成在所述内解耦梁本体上并沿径向延伸的第四折叠梁以及形成在所述内解耦梁本体上并沿周向延伸的第五折叠梁。
在所述MEMS陀螺仪的一些实施例中，所述外解耦梁包括外解耦梁本体、形成在所述外解耦梁本体上并沿径向延伸的第六折叠梁以及形成在所述外解耦梁本体上并沿周向延伸的第七折叠梁。
本发明的有益效果在于：内质量环的多个内质量块通过内质量耦合梁连接为一个整体，外质量环的多个外质量块通过外质量耦合梁连接为一个整体，相邻的外质量块与内质量块通过内外耦合梁连接并传递径向力，使得该陀螺仪具备更大的有效质量，提高该陀螺仪的分辨率；内质量环和外质量环均高度对称，高对称性设计能够使工作时模态频率相差小，进而带来高角速度增益，通过增大有效质量和高对称性设计的结合使得陀螺的检测精度得到提升。
【附图说明】
图1为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪的整体结构示意图；
图2为本发明的图1中A处结构放大图；
图3为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪的内外耦合梁结构示意图；
图4为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪的另外三种内外耦合梁结构示意图；
图5为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪的弹性件结构示意图；
图6为本发明一实施例示出的另一MEMS陀螺仪的整体结构示意图；
图7为本发明的图5中B处结构放大图；
图8为本发明一实施例示出的另一MEMS陀螺仪的内解耦梁结构示意图；
图9为本发明一实施例示出的另一MEMS陀螺仪的外解耦梁结构示意图；
图10为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪处于面类类2θ振型时的第一模态的上半周期的状态图；
图11为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪处于面类类2θ振型时的第一模态的下半周期的状态图；
图12为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪处于面类类2θ振型时的第一模态的上半周期时的受力示意图；
图13为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪处于面类类2θ振型时的第二模态的受力示意图；
图14为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪另一种结构整体示意图；
图15为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪处于面类类3θ振型时的第一模态的上半周期时的受力示意图；
图16为本发明一实施例示出的MEMS陀螺仪处于面类类3θ振型时的第二模态的受力示意图。
其中，100-内质量环；101-内质量块；102-内质量耦合梁；200-外质量环；201-外质量块；202-外质量耦合梁；300-中间锚点；310-第一电极；320-第二电极；400-弹性件；401-弹性件本体；402-第二折叠梁；403-第三折叠梁；500-内外耦合梁；501-第一段；502-第二段；503-连接部；600-内锚点；700-内解耦梁；701-内解耦梁本体；702-第四折叠梁；703-第五折叠梁；800-外锚点；900-外解耦梁；901-外解耦梁本体；902-第六折叠梁；903-第七折叠梁。
【
具体实施方式
】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
在一种实施例中，如图1-2、图6-7和图14所示，本发明公开了一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括内质量环100、外质量环200、锚点结构、换能器和内外耦合梁500。
该内质量环100包括4N个呈圆周阵列分布的内质量块101和连接在相邻两个内质量块101之间的内质量耦合梁102，内质量耦合梁102能够传递相邻两个内质量块101之间的周向力，其中，N为整数，且N≥2；
具体来说，内质量环100包括4N个呈圆周阵列分布的内质量块101，从而使其满足椭圆退化模态的对称性要求。
该外质量环200同轴设置在内质量环100的外侧，外质量环200包括分别与4N个内质量块101位于同一径向的外质量块201和连接在相邻两个外质量块201之间的外质量耦合梁202，外质量耦合梁202能够传递相邻两个外质量块201之间的周向力。
该锚点结构起到安装支撑内质量环100和外质量环200的作用，内质量环100和外质量环200均连接于锚点结构。
通过设置锚点结构便于将内质量环100和外质量环200与基座安装固定，锚点结构用于支撑内质量环100和外质量环200以第一模态和第二模态振动。
该换能器呈圆周阵列分布，实现结构平面内的机械场与电场的耦合。
该内外耦合梁500连接在相邻的外质量块201与内质量块101之间，能够传递相邻的内质量块101与外质量块201之间的径向力。
该MEMS陀螺仪能够工作在第一模态和第二模态，第一模态和第二模态中，同一径向的内质量块101和外质量块201均呈现反相振型。
本发明的实施例中，内质量环100的多个内质量块通过内质量耦合梁102连接为一个整体，外质量环200的多个外质量块201通过外质量耦合梁202连接为一个整体，相邻的外质量块201与内质量块101通过内外耦合梁500连接并传递径向力，使得该陀螺仪具备更大的有效质量，提高该陀螺仪的分辨率；内质量环100和外质量环200均高度对称，高对称性设计能够使第一模态和第二模态的频率相差较小，使陀螺具备高角速度增益的优势，通过增大有效质量和高对称性设计的结合使得陀螺的检测精度得到提升。
在一种具体实施例中，如图1-2、图6-7和图14所示，第一模态和第二模态中，内质量块101和外质量块201呈面内类2θ振型或面内类3θ振型。具体来说，如图10-13所示，当N为偶数时，第一模态和第二模态中内质量块101与外质量块201均呈现差分振型，内质量块101和外质量块201工作在呈面内类2θ振型；如图15-16所示，当N为奇数时，第一模态和第二模态中内质量块101与外质量块201均呈现差分振型，内质量块101和外质量块201工作在呈面内类3θ振型。
进一步地，换能器包括第一电极310和第二电极320，第一电极310设于各内质量块101的内部或内质量块101在径向方向的外部，用于驱动内质量块101振动以及检测内质量块101的位移；第二电极320设于各外质量块201的内部或外质量块201在径向方向的外部，用于驱动外质量块201振动以及检测外质量块201的位移。例如在一种具体方案中，如图1-2、图6-7和图14所示，第一电极310布置在内质量块101的内侧，第二电极320布置在外质量块201的外侧，当然，在其他具体方案中，也可以有其他布置方式，在此不再赘述。
该陀螺仪工作时，有两种模态，即上述所说的第一模态和第二模态，其中第一模态如图10-11所示。以N取2时为例，通过对位于0°、90°、180°和270°方向上的部分第一电极310和第二电极320施加谐振频率的简谐驱动力，驱动外质量块201和内质量块101振动，某一瞬间驱动方向如图10-11中箭头所示，在这种受力下，内质量环100和外质量环200形成两个相差90°的椭圆，驱动方向上布置的其余第一电极310和第二电极320可以分别检测内质量块101和外质量块201驱动了多少位移，从而起到控制驱动的作用，当物体发生转动时，如图12所示，以第一模态的上半周期为例，角速度使得运动的内质量块101和外质量块201受到哥氏力，观察图11中哥氏力的合力，与驱动力相差45°方向，在这个方向有个与第一模态相同的模态，即第二模态，而下半周期内质量块101和外质量块201的运动方向相反，哥氏力合力方向相反，这表明哥氏力合力也是一个和驱动力频率相同的简谐力，这个力可以激发出第一模态。如图13所示，第二模态时，内质量块101和外质量块201的运动同样受到哥氏力，这时的哥氏力作用下又会激发出第二模态，综上，第一模态和第二模态中，内质量块101和外质量块201呈面内类2θ振型。
该陀螺仪使用时，一般两种工作方式，即力平衡模式和速率积分模式，以N取2时为例，其中力平衡模式为：第二模态的电极(即45°、135°、225°和315°方向的第一电极310和第二电极320)施加力抑制住第二模态的激发，抑制力的大小和角速度成正比。这时候第二模态是几乎不振动的，只有第一模态振动。速率积分模式为：如图12-13所示，第一、第二模态下，哥氏力都会使振动能量向另一个模态转换，角速度输入下，能量在两个模态间来回转换，通过第一电极310和第二电极320得到能量的分布，从而计算角速度输入。
此外，在反相工作模态下(通过换能器驱动相差180°的简谐驱动力实现)，同相的位移仅由外在共模输入(如加速度)引起，通过差分可以有效减少各种共模误差。
在一些实施例中，如1-4、图6-7和图14图1-2和图3所示，内外耦合梁500具有用于连接外质量块201与内质量块101的连接部503，内外耦合梁500为轴对称结构，连接部503位于内外耦合梁500的对称轴上。
具体来说，如图3所示，内外耦合梁500包括对称设置的两折叠梁，折叠梁包括沿径向设置的第一段501、连接在第一段501两端并沿周向延伸的第二段502以及连接在第二段502远离第一段501并沿径向延伸的连接部503，两连接部503远离第二段502的一端分别与内质量块101和外质量块201连接。
当然，在其他一些实施例中，如图4所示，内外耦合梁还可以有其他结构形式，通过内外耦合梁500可以传递相邻外质量块201与内质量块101的径向力，使得外质量环200和内质量环100可以互相传递能量。
在一种具体实施例中，如1-2、图6-7和图14图1-2所示，锚点结构包括中间锚点300以及形成在中间锚点300上的两弹性件400，中间锚点300位于相邻的内质量块101与外质量块201之间，中间锚点300分别通过两弹性件400与相邻的内质量块101和外质量块201连接。
本实施例的技术方案中，在反相工作模态下，相邻的外质量块201与内质量块101之间的中间锚点300受到大小相近、方向相反的应力，从而实现中间锚点300的应力抵消，降低中间锚点300损耗。
在一些实施例中，1-2、图6-7和图14如图1-2所示，相邻的内质量块101与外质量块201之间的中间锚点300有两个，两中间锚点300沿周向间隔设置。内外耦合梁500设置在两中间锚点300之间。
通过在相邻的内质量块101与外质量块201之间设置两个中间锚点300，将内外耦合梁500设置在两中间锚点300之间，提高内质量环100与外质量环200之间结构的稳定性，实现位于相邻的内质量块101与外质量块201通过内外耦合梁500来传递径向力。
在一些实施例中，如1-2、图5-7和图14图1-2和图4所示，弹性件400包括弹性件本体401、形成在弹性件本体401上并沿径向延伸的第二折叠梁402以及形成在弹性件本体401上并沿周向延伸的第三折叠梁403。
具体来说，第二折叠梁402与中间锚点300连接，能够使内质量块101和外质量块201只能相对于中间锚点300沿周向运动，中间锚点300与内质量块101之间的弹性件400的第三折叠梁403与内质量块101连接，能够使内质量块101只能相对于中间锚点300沿径向运动，同样，中间锚点300与外质量块201之间的弹性件400的第三折叠梁403与外质量块201连接，能够使外质量块201只能相对于中间锚点300沿径向运动，弹性件400保证了内质量块101与外质量块201只能相对于中间锚点300沿周向和径向运动，而隔离其他方向的运动。
在一种具体实施例中，如图6-7和图14所示，锚点结构还包括内锚点600、内解耦梁700、外锚点800和外解耦梁900，内锚点600位于内质量环100的内侧，内质量块101通过内解耦梁700与内锚点600连接，内解耦梁700隔离内质量块101的周向运动，传递内质量块101的径向运动，外锚点800位于外质量环200的外侧，外质量块201通过外解耦梁900与外锚点800连接，外解耦梁900隔离外质量块201的周向运动，传递外质量块201的径向运动，连接在同一径向的内质量块101和外质量块201上的中间锚点300、内锚点600和外锚点800关于该径向对称设置，以确保该陀螺仪整体的高度对称性。
具体的，内锚点600数量与内质量块101数量相同，相邻两内质量块101之间共用一个内锚点600，外锚点800数量是外质量块201数量的两倍，每个外质量块201配置两个外锚点800。
本实施例的技术方案中，内质量块101通过内解耦梁700与内锚点600连接，外质量块201通过外解耦梁900与外锚点800连接，内解耦梁700隔离了内质量块101的周向运动，只传递内质量块101在径向的位移；外解耦梁900隔离了外质量块201的周向运动，只传递外质量块201在径向的位移，从而避免了内质量块101和外质量块201的周向位移对驱动和检测带来的干扰。内解耦梁700和外解耦梁900可以通过差分提高检测增益，也带来了更高的共模误差抑制性能。
在一些实施例中，如图8-9所示，内解耦梁700包括内解耦梁本体701、形成在内解耦梁本体701上并沿径向延伸的第四折叠梁702以及形成在内解耦梁本体701上并沿周向延伸的第五折叠梁703。外解耦梁900包括外解耦梁本体901、形成在外解耦梁本体901上并沿径向延伸的第六折叠梁902以及形成在外解耦梁本体901上并沿周向延伸的第七折叠梁903。
以上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。
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