一種mems三軸陀螺儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及慣性測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于微機(jī)電系統(tǒng)制造的三軸陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS陀螺儀是基于微機(jī)電工藝制造的慣性器件，用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的角速度。它具有體積小，可靠性高，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景，可應(yīng)用于包括消費(fèi)電子、航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備和武器在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域。
[0003]MEMS陀螺儀系統(tǒng)通常包括驅(qū)動(dòng)部分和檢測(cè)部分，其采用科里奧力(以下稱(chēng)科氏力)的原理進(jìn)行角速度的檢測(cè)，而科氏力是人為構(gòu)造出的虛擬力，具體地，需要在第一方向?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)?shù)诙较蛴薪撬俣容斎霑r(shí)，才會(huì)在第三方向上產(chǎn)生科氏力，引起質(zhì)量塊的位移，通過(guò)檢測(cè)該位移的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的檢測(cè)。因此，MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)，在單個(gè)結(jié)構(gòu)上集成XYZ三軸陀螺儀有很大的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種MEMS三軸陀螺儀的新技術(shù)方案。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種MEMS三軸陀螺儀，包括襯底，以及通過(guò)錨點(diǎn)彈性支撐在襯底上方的主質(zhì)量塊，所述襯底上設(shè)有與主質(zhì)量塊構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電容并驅(qū)動(dòng)主質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電極；以主質(zhì)量塊的橫向方向?yàn)閄軸方向，以主質(zhì)量塊的豎向方向?yàn)閅軸方向，以垂直于主質(zhì)量塊所在平面的方向?yàn)閆軸方向；
[0006]還包括XY軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)，所述XY軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)包括通過(guò)錨點(diǎn)彈性支撐在所述襯底上方的隨動(dòng)質(zhì)量塊，其中，所述隨動(dòng)質(zhì)量塊的側(cè)壁通過(guò)驅(qū)動(dòng)彈性梁與主質(zhì)量塊連接；在所述隨動(dòng)質(zhì)量塊上還設(shè)置有X軸檢測(cè)質(zhì)量塊、Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊，其中，其中X軸檢測(cè)質(zhì)量塊位于隨動(dòng)質(zhì)量塊的Y軸方向上，并通過(guò)沿Y軸方向的第一連接梁與隨動(dòng)質(zhì)量塊連接；所述Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊位于隨動(dòng)質(zhì)量塊的X軸方向上，且通過(guò)沿X軸方向的第二連接梁與隨動(dòng)質(zhì)量塊連接；所述X軸檢測(cè)質(zhì)量塊、Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊的兩端具有分別沿對(duì)應(yīng)的第一連接梁、第二連接梁對(duì)稱(chēng)的第一可動(dòng)電極、第二可動(dòng)電極；所述襯底上設(shè)置有與第一可動(dòng)電極、第二可動(dòng)電極構(gòu)成差分檢測(cè)電容的相應(yīng)的固定電極；
[0007]還包括Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)，所述Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)包括通過(guò)第三連接梁與主質(zhì)量塊連接的Z軸解耦質(zhì)量塊，還包括與Z軸解耦質(zhì)量塊平行布置的Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊，其中所述Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊通過(guò)位于其兩側(cè)的第四連接梁與Z軸解耦質(zhì)量塊連接；所述Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊通過(guò)第五連接梁連接在固定于襯底的錨點(diǎn)上，且第四連接梁與第五連接梁垂直；所述Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊上設(shè)置有第三可動(dòng)電極、第四可動(dòng)電極，所述襯底上設(shè)置有與第三可動(dòng)電極、第四可動(dòng)電極構(gòu)成差分電容的固定電極。
[0008]優(yōu)選地，所述XY軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)有兩個(gè)，分布在主質(zhì)量塊X軸方向的中線上，且相對(duì)于主質(zhì)量塊的錨點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。
[0009]優(yōu)選地，所述X軸檢測(cè)質(zhì)量塊設(shè)置有兩個(gè)，分別記為第一 X軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二 X軸檢測(cè)質(zhì)量塊，所述第一 X軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二 X軸檢測(cè)質(zhì)量塊位于隨動(dòng)質(zhì)量塊Y軸方向的中線上，且相對(duì)于隨動(dòng)質(zhì)量塊的錨點(diǎn)對(duì)稱(chēng)；
[0010]所述Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊設(shè)置有兩個(gè)，分別記為第一 Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二 Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊，所述第一 Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二 Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊位于隨動(dòng)質(zhì)量塊X軸方向的中線上，且相對(duì)于隨動(dòng)質(zhì)量塊的錨點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。
[0011 ] 優(yōu)選地，在所述主質(zhì)量塊上設(shè)置有通孔，所述隨動(dòng)質(zhì)量塊位于相應(yīng)的通孔內(nèi)，所述驅(qū)動(dòng)彈性梁與隨動(dòng)質(zhì)量塊的側(cè)壁平行。
[0012]優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)彈性梁設(shè)有四個(gè)，分別位于隨動(dòng)質(zhì)量塊的四個(gè)側(cè)壁方向。
[0013]優(yōu)選地，所述主質(zhì)量塊通過(guò)第一十字彈性梁連接在其錨點(diǎn)上；所述隨動(dòng)質(zhì)量塊通過(guò)第二十字彈性梁連接在其錨點(diǎn)上。
[0014]優(yōu)選地，所述Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)有兩個(gè)，分別記為第一 Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)、第二 Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)，所述第一 Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)、第二 Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)分布在主質(zhì)量塊Y軸方向的中線上，且相對(duì)于主質(zhì)量塊的錨點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。
[0015]優(yōu)選地，所述第四連接梁沿著Y軸方向延伸，所述第五連接梁沿著X軸方向延伸，且所述第五連接梁設(shè)置有兩個(gè)，分別位于Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊位于Y軸方向的兩側(cè)。
[0016]優(yōu)選地，所述Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊包括相對(duì)于主質(zhì)量塊Y軸中線對(duì)稱(chēng)的第一 Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二 Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊，以及連接第一 Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二 Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊的連接部；其中，所述第一 Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊、第二Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊上均設(shè)有所述的第三可動(dòng)電極、第四可動(dòng)電極。
[0017]優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)電極設(shè)有四個(gè)，兩兩分布在主質(zhì)量塊相對(duì)的兩側(cè)。
[0018]本發(fā)明的MEMS三軸陀螺儀，驅(qū)動(dòng)電極驅(qū)動(dòng)主質(zhì)量塊在Z軸方向上順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得XY軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的隨動(dòng)質(zhì)量塊逆時(shí)針或順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的Z軸解耦質(zhì)量塊會(huì)隨著主質(zhì)量塊順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。在有X、Y軸方向的角速度輸入時(shí)，X、Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生位于Z軸方向的科氏力，從而使X、Y軸檢測(cè)質(zhì)量塊會(huì)發(fā)生類(lèi)似蹺蹺板的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)相應(yīng)的固定電極即可實(shí)現(xiàn)X、Y軸角速度信號(hào)的測(cè)量；當(dāng)有Z軸方向的角速度輸入時(shí)，Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生位于X軸、Y軸方向的科氏力，從而使Z軸檢測(cè)質(zhì)量塊會(huì)發(fā)生平動(dòng)，通過(guò)相應(yīng)的固定電極即可實(shí)現(xiàn)Z軸角速度信號(hào)的測(cè)量。
[0019]本發(fā)明的MEMS三軸陀螺儀，通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將X、Y、Z三軸陀螺儀的檢測(cè)集成在單個(gè)芯片上，提高了芯片的利用率，同時(shí)也提高了角速度信號(hào)檢測(cè)的精度。
[0020]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)中，MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)，在單個(gè)結(jié)構(gòu)上集成XYZ三軸陀螺儀有很大的難度。因此，本發(fā)明所要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)任務(wù)或者所要解決的技術(shù)問(wèn)題是本領(lǐng)域技術(shù)人員從未想到的或者沒(méi)有預(yù)期到的，故本發(fā)明是一種新的技術(shù)方案。
[0021]通過(guò)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0022]被結(jié)合在說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同其說(shuō)明一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0023]圖1是本發(fā)明三軸陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明XY軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)與主質(zhì)量塊的連接示意圖。
[0025]圖3是XY軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0026]圖4是Z軸檢測(cè)結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)在將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。應(yīng)注意到:除非另外具體說(shuō)明，否則在這些實(shí)施例中闡述的部件和步驟的相對(duì)布置、數(shù)字表達(dá)式和數(shù)值不限制本發(fā)明的范圍。
[0028]以下對(duì)至少一個(gè)示例性實(shí)施例的描述實(shí)際上僅僅是說(shuō)明性的，決不作為對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制。
[0029]對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和