一种电容式单驱动三轴MEMS陀螺仪和三轴角速度检测方法

本发明涉及微机电系统传感器，具体涉及一种电容式单驱动三轴mems陀螺仪和三轴角速度检测方法。

背景技术：

1、微机电系统陀螺仪是一种用于检测物体角速度的惯性传感器，通常利用振动质量块在科里奥利力作用下产生的位移进行角速度检测。根据能够检测的角速度方向，微机电系统陀螺仪可以分为单轴陀螺仪和多轴陀螺仪。三轴微机电系统陀螺仪能够分别检测物体绕三个相互正交轴的角速度，广泛应用于姿态控制、惯性导航及运动状态检测等领域。

2、部分现有三轴微机电系统陀螺仪针对不同检测轴设置相应的驱动结构和检测结构，导致陀螺仪内部结构及驱动控制过程较为复杂。另一些三轴微机电系统陀螺仪采用多个质量块进行角速度检测，多个质量块在运动过程中可能产生与角速度检测无关的同向运动，并形成干扰模态，从而影响角速度检测的稳定性和准确性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种电容式单驱动三轴mems陀螺仪和三轴角速度检测方法。通过耦合单元将驱动质量块单元产生的周期性驱动运动传递至检测质量块单元，使一套驱动结构能够用于三个轴向的角速度检测，并通过耦合单元约束至少一对检测质量块进行差分运动，抑制检测质量块同向运动产生的干扰模态，从而简化三轴角速度检测所需的驱动结构，并降低干扰模态对角速度检测过程的影响。

2、为了实现上述目的，本技术实施例提供如下技术方案：

3、根据本技术实施例的第一方面，提供了一种电容式单驱动三轴mems陀螺仪，包括：衬底、检测质量块单元1、驱动质量块单元2和耦合单元3；所述检测质量块单元1和所述驱动质量块单元2设置于所述衬底；

4、所述检测质量块单元1包括若干检测质量块以及与所述检测质量块对应设置的电容检测结构，所述电容检测结构用于响应于所述检测质量块的位移产生电容变化，以检测三个轴向的角速度；

5、所述驱动质量块单元2用于产生周期性驱动运动；

6、所述耦合单元3连接所述检测质量块单元1和所述驱动质量块单元2，用于将所述周期性驱动运动传递至所述检测质量块单元1，约束至少一对检测质量块进行差分运动，并抑制所述至少一对检测质量块同向运动产生的干扰模态。

7、可选地，所述电容式单驱动三轴mems陀螺仪具有相互垂直的横向中心轴和竖向中心轴；

8、所述检测质量块单元1关于所述电容式单驱动三轴mems陀螺仪的中心对称设置；所述检测质量块单元1包括x轴角速度检测机构101、y轴角速度检测机构102和z轴角速度检测机构103；

9、所述x轴角速度检测机构101包括两个x轴检测机构组，每个所述x轴检测机构组包括四个x轴角速度检测机构101，两个所述x轴检测机构组关于所述横向中心轴对称设置；

10、每个所述x轴检测机构组对应设置两个y轴角速度检测机构102和两个z轴角速度检测机构103，两个所述y轴角速度检测机构102分别位于对应的x轴检测机构组沿所述竖向中心轴方向的相对两侧，两个所述z轴角速度检测机构103分别位于对应的x轴检测机构组沿所述横向中心轴方向的相对两侧。

11、可选地，所述x轴角速度检测机构101包括x轴检测质量块1011和固定于所述衬底的x轴固定检测电极1012，所述x轴固定检测电极1012与所述x轴检测质量块1011沿垂直于所述衬底表面的方向间隔相对设置，所述x轴检测质量块1011用于沿垂直于所述衬底表面的方向产生位移，以改变所述x轴检测质量块1011与所述x轴固定检测电极1012之间的间隔距离；

12、所述y轴角速度检测机构102包括y轴检测质量块1021和固定于所述衬底的y轴固定检测电极1022，所述y轴固定检测电极1022与所述y轴检测质量块1021沿垂直于所述衬底表面的方向间隔相对设置，所述y轴检测质量块1021用于沿垂直于所述衬底表面的方向产生位移，以改变所述y轴检测质量块1021与所述y轴固定检测电极1022之间的间隔距离。

13、可选地，所述z轴角速度检测机构103包括z轴检测质量块1031和z轴检测电容结构1032；

14、所述z轴检测电容结构1032包括设置于所述z轴检测质量块1031的检测梳齿10321和固定于所述衬底的固定梳齿10322，所述检测梳齿10321与所述固定梳齿10322穿插设置；

15、所述检测梳齿10321用于随所述z轴检测质量块1031相对于所述固定梳齿10322运动，以改变所述检测梳齿10321与所述固定梳齿10322之间的正对面积。

16、可选地，所述驱动质量块单元2包括驱动梳齿结构201、驱动质量块202和哥氏质量块203；

17、所述驱动梳齿结构201包括固定于所述衬底的固定驱动梳齿2011和与所述驱动质量块202连接的驱动梳齿2012，所述固定驱动梳齿2011与所述驱动梳齿2012穿插设置，用于在驱动电压作用下产生静电驱动力，以带动所述驱动质量块202沿y轴方向进行周期性运动；

18、所述哥氏质量块203分别与所述驱动质量块202和所述z轴检测质量块1031连接，用于随所述驱动质量块202沿y轴方向进行同步运动，并在受到沿x轴方向的科里奥利力时，带动所述z轴检测质量块1031沿x轴方向产生位移。

19、可选地，所述耦合单元3包括至少两个x轴角速度检测质量块耦合框301、至少两个y轴角速度检测质量块耦合框302，以及y轴角速度检测质量块耦合机构303；

20、各所述x轴角速度检测质量块耦合框301包括中心线框，位于所述中心线框相对两侧的x轴检测质量块1011分别与所述中心线框连接，以约束所述x轴检测质量块1011进行差分运动；

21、各所述y轴角速度检测质量块耦合框302的内边框分别与位于对应的x轴角速度检测质量块耦合框301沿所述竖向中心轴方向的相对两侧的y轴检测质量块1021连接，以约束所述y轴检测质量块1021进行差分运动；

22、所述y轴角速度检测质量块耦合机构303包括耦合方形框3031和连接支梁3032，所述连接支梁3032分别连接所述耦合方形框3031和靠近所述横向中心轴的两个y轴检测质量块1021，以串联耦合所述两个y轴检测质量块1021，并使所述两个y轴检测质量块1021在各自对应的差分运动中保持相同的运动方向。

23、可选地，所述耦合单元3还包括至少两个z轴角速度检测质量块耦合机构304、至少两个z轴角速度检测质量块杠杆耦合机构305、至少两个驱动质量块耦合机构306和至少两个驱动质量块杠杆耦合机构307；

24、各所述z轴角速度检测质量块耦合机构304分别连接位于所述横向中心轴的相对两侧的两个z轴检测质量块1031；

25、各所述z轴角速度检测质量块杠杆耦合机构305分别连接位于所述竖向中心轴的相对两侧的两个z轴检测质量块1031；

26、各所述驱动质量块耦合机构306分别连接位于所述竖向中心轴的相对两侧的两个驱动质量块202；

27、各所述驱动质量块杠杆耦合机构307分别连接位于所述横向中心轴的相对两侧的两个驱动质量块202；

28、各所述z轴角速度检测质量块耦合机构304、各所述z轴角速度检测质量块杠杆耦合机构305、各所述驱动质量块耦合机构306和各所述驱动质量块杠杆耦合机构307分别用于约束各自连接的两个质量块进行差分运动，并抑制各自连接的两个质量块同向运动所对应的干扰模态。

29、可选地，各所述z轴角速度检测质量块耦合机构304和各所述驱动质量块耦合机构306均包括固定长梁4、固定锚点5、双端固支梁6、v形梁7和约束长梁8；

30、所述固定长梁4和所述双端固支梁6通过所述固定锚点5固定于所述衬底；

31、所述v形梁7的汇合端与所述双端固支梁6连接，所述v形梁7的两个分支端分别与对应的耦合机构所连接的两个质量块连接；

32、所述约束长梁8的一端与对应的耦合机构所连接的质量块连接，所述约束长梁8的另一端与所述固定长梁4连接。

33、可选地，各所述z轴角速度检测质量块杠杆耦合机构305和各所述驱动质量块杠杆耦合机构307均包括杠杆耦合梁9和中心锚固点10；

34、各所述杠杆耦合梁9的两端分别与各自对应的两个质量块连接，所述杠杆耦合梁9的中部通过所述中心锚固点10固定于所述衬底；

35、所述杠杆耦合梁9在所述两个质量块进行同向运动时产生弯曲变形，并在所述两个质量块进行差分运动时相对于所述中心锚固点10产生扭转变形，且所述杠杆耦合梁9在所述两个质量块进行同向运动时的弯曲刚度大于在所述两个质量块进行差分运动时的扭转刚度。

36、根据本技术实施例的第二方面，提供了一种三轴角速度检测方法，应用于电容式单驱动三轴mems陀螺仪，所述电容式单驱动三轴mems陀螺仪包括检测质量块单元1、驱动质量块单元2和耦合单元3，所述检测质量块单元1包括分别对应三个相互正交的检测轴的多个检测质量块，以及与各所述检测质量块对应设置的电容检测结构，所述方法包括：

37、向所述驱动质量块单元2施加驱动信号，使所述驱动质量块单元2产生周期性驱动运动；

38、通过所述耦合单元3将所述周期性驱动运动传递至所述检测质量块单元1，以约束至少一对检测质量块进行差分运动；

39、在所述电容式单驱动三轴mems陀螺仪随待测物体绕至少一个所述检测轴转动时，使与发生转动的检测轴对应的检测质量块在科里奥利力作用下产生检测位移；

40、通过与产生所述检测位移的检测质量块对应设置的电容检测结构，获取由所述检测位移引起的电容变化；

41、根据各所述检测轴对应的电容变化，分别确定所述待测物体绕各所述检测轴的角速度分量。

42、综上所述，本技术实施例提供了一种电容式单驱动三轴mems陀螺仪和三轴角速度检测方法。所述陀螺仪包括：衬底、检测质量块单元1、驱动质量块单元2和耦合单元3；所述检测质量块单元1和所述驱动质量块单元2设置于所述衬底；所述检测质量块单元1包括若干检测质量块以及与所述检测质量块对应设置的电容检测结构，所述电容检测结构用于响应于所述检测质量块的位移产生电容变化，以检测三个轴向的角速度；所述驱动质量块单元2用于产生周期性驱动运动；所述耦合单元3连接所述检测质量块单元1和所述驱动质量块单元2，用于将所述周期性驱动运动传递至所述检测质量块单元1，约束至少一对检测质量块进行差分运动，并抑制所述至少一对检测质量块同向运动产生的干扰模态。以通过耦合单元将驱动质量块单元产生的周期性驱动运动传递至检测质量块单元，使一套驱动结构能够用于三个轴向的角速度检测，并通过耦合单元约束至少一对检测质量块进行差分运动，抑制检测质量块同向运动产生的干扰模态，从而简化三轴角速度检测所需的驱动结构，并降低干扰模态对角速度检测过程的影响。