一种全解耦三轴微机械陀螺仪的制作方法

本发明涉及一种微机电陀螺仪，尤其涉及一种静电驱动、电容检测且基于哥氏效应的全解耦三轴微机械陀螺仪，属于微机电系统领域。

背景技术：

1、陀螺仪是用来检测物体运动角速度的器件。振动式mems陀螺仪由半导体微米级尺寸加工技术为基础而制造，其工作原理是，检测质量块沿着与角速度成90度的驱动方向做线振动或角振动，进入驱动状态；当沿敏感轴方向有角速度输入时，在检测轴方向就会出现哥氏力，这个哥氏力的方向和敏感轴方向和驱动方向都互相垂直，哥氏力的大小和输入角速度成正比，通过检测哥氏力引起的位移变化量，就可以直接得到输入角速度的信息。三轴mems陀螺仪是可以同时检测三个轴，分别是x-y-z轴角速度的陀螺仪。自三轴mems陀螺仪问世以来，因为其具有尺寸小、价格低廉的优点，已经在手机、平板电脑等消费电子领域得到广泛的应用，用来实现体感游戏的动作识别和辅助导航等功能。近年来随着汽车领域自动驾驶技术的发展，带有惯导模块的组合导航系统越来越受到重视，已经逐渐成为自动驾驶技术不可缺少的基础支撑之一，三轴mems陀螺仪逐渐应用于车载惯导模块。

2、相较于消费电子产品的应用环境，汽车在行驶时会产生较大的振动，这对于基于振动原理的mems陀螺仪会产生很大的信号干扰。提高抗振动性对应用于汽车导航的三轴陀螺仪至关重要。z轴陀螺仪，在车载导航中起到感应航向变化的作用，其精度和稳定性对于整个惯导系统的定位至关重要，目前大多数三轴陀螺仪的z轴部分，驱动到检测部分不能做到机械解耦，这样检测精度受到驱动机构的影响较大。与此同时，目前的三轴mems陀螺仪，因为追求体积小，而使得三轴或者其中两轴共用检测质量块，这不可避免地使得三轴之间的交叉耦合过大，产生三轴信号之间的互相串扰。因此，兼顾整体抗振性能和多轴解耦，是当前微机械陀螺仪产品及其汽车导航应用需要攻关的技术难点。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在提出一种全解耦三轴微机械陀螺仪，解决各轴独立检测，提升z轴检测精度的问题。

2、本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种全解耦三轴微机械陀螺仪，以衬底为基础分布设有中心弹性机构、驱动机构和三轴检测机构，以中心弹性机构为参照中心，所述驱动机构包括相互对称的第一驱动框架、第二驱动框架和相互对称的第三驱动框架和第四驱动框架，并通过驱动耦合模组将所述第一驱动框架、第四驱动框架、第二驱动框架和第三驱动框架按顺时针方向依次相连成环状；在驱动机构外侧接设有z轴检测机构；在驱动机构内侧接设有x轴检测机构模组和y轴检测机构模组，其中所述x轴检测机构模组包括设于第一驱动框架内侧的第一x轴检测机构和设于第二驱动框架内侧的第二x轴检测机构，所述y轴检测机构模组包括设于第三驱动框架内侧的第一y轴检测机构和设于第四驱动框架内侧的第二y轴检测机构。

3、进一步地，所述第三驱动框架范围内设有由第一驱动反馈可动梳齿和第一驱动反馈固定梳齿构成的第一驱动反馈机构，其中第一驱动反馈可动梳齿与第三驱动框架相连，第一驱动反馈固定梳齿通过锚点固定在衬底上；

4、所述第四驱动框架范围内设有由第二驱动反馈可动梳齿和第二驱动反馈固定梳齿构成的第二驱动反馈机构，其中第二驱动反馈可动梳齿与第四驱动框架相连，第二驱动反馈固定梳齿通过锚点固定在衬底上。

5、进一步地，所述驱动机构还设有由驱动可动梳齿和驱动固定梳齿构成的驱动梳齿模组，其中驱动可动梳齿相接于第三驱动框架和第四驱动框架上，驱动固定梳齿通过锚点固定在衬底上；

6、并以中心弹性机构为参照中心，第三驱动框架范围内所设两个驱动梳齿模组与第四驱动框架范围内所设两个驱动梳齿模组相互对称。

7、进一步地，所述z轴检测机构包括悬浮设于衬底上的z轴检测质量块模组，z轴中间质量块模组，z轴驱动模组，z轴检测耦合质量块模组和z轴检测梳齿模组，其中所述z轴检测质量块模组包括设于第一驱动框架外侧的第一z轴检测质量块和设于第二驱动框架外侧的第二z轴检测质量块，且z轴检测质量块模组通过z轴固定弹簧机构及锚点固定在衬底上；所述z轴驱动模组包括第一z轴驱动模组，第二z轴驱动模组，第三z轴驱动模组和第四z轴驱动模组，且两两沿x轴或y轴对称分布；所述z轴检测耦合质量块模组包括设于第三驱动框架外侧的第一z轴检测耦合质量块和设于第四驱动框架外侧的第二z轴检测耦合质量块。

8、第一z轴驱动模组的一端连接第一z轴检测质量块，另一端连接第一z轴检测耦合质量块，第二z轴驱动模组的一端连接第一z轴检测质量块，另一端连接第二z轴检测耦合质量块，第三z轴驱动模组的一端连接第二z轴检测质量块，另一端连接第二z轴检测耦合质量块，第四z轴驱动模组的一端连接第二z轴检测质量块，另一端连接第一z轴检测耦合质量块，且四个z轴驱动模组的各自中段通过锚点固定于衬底上。

9、所述z轴中间质量块模组包括设于第一驱动框架与第一z轴检测质量块之间并通过z轴过渡弹簧机构三者互联的第一z轴中间质量块，和设于第二驱动框架与第二z轴检测质量块之间并通过z轴过渡弹簧机构三者互联的第二z轴中间质量块。

10、所述z轴检测梳齿模组由z轴可动梳齿和z轴固定梳齿组成，且z轴可动梳齿均匀分布成型于z轴检测质量块模组上，z轴固定梳齿通过锚点固定在衬底上。

11、进一步地，所述第一x轴检测机构包括固设于衬底上的第一x轴下极板及其上设为悬浮状的第一x轴质量块，所述第一x轴质量块的一端通过第一x轴扭转机构与第一驱动框架相连；所述第二x轴检测机构包括固设于衬底上的第二x轴下极板及其上设为悬浮状的第二x轴质量块，所述第二x轴质量块的一端通过第二x轴扭转机构与第二驱动框架相连，且两个x轴质量块的另一端分两侧与所述中心弹性机构相连。

12、进一步地，所述第一y轴检测机构包括固设于衬底上的第一y轴下极板及其上设为悬浮状的第一y轴质量块，所述第一y轴质量块的一端通过第一y轴扭转机构与第三驱动框架相连；所述第二y轴检测机构包括固设于衬底上的第二y轴下极板及其上设为悬浮状的第二y轴质量块，所述第二y轴质量块的一端通过第二y轴扭转机构与第四驱动框架相连，且两个y轴质量块的另一端分两侧与所述中心弹性机构相连。

13、进一步地，所述中心弹性机构设有中部定位且十字牵引的弹簧模组及围绕弹簧模组的连接板，所述弹簧模组的两个自由端通过连接板与折叠连接机构相连；以弹簧模组为参照中心，所述折叠连接机构包括相互对称的第一折叠连接部和第二折叠连接部和相互对称的第三折叠连接部和第四折叠连接部，其中第一折叠连接部与第一x轴检测机构相对接，第二折叠连接部与第二x轴检测机构相对接，第三折叠连接部与第一y轴检测机构相对接，第四折叠连接部与第二y轴检测机构相对接。

14、进一步地，所述驱动耦合模组共设有四组且两两沿x轴或y轴对称分布，在相邻的两个驱动框架之间各接入一组驱动耦合模组。

15、更进一步地，每组所述驱动耦合模组包括一个驱动连接质量块和若干驱动耦合弹簧，其中所述驱动耦合弹簧共用于连接驱动连接质量块及与之相邻的两个驱动框架，并且驱动连接质量块通过驱动耦合弹簧固定于锚点。

16、应用本发明的全解耦三轴微机械陀螺仪，具备突出的实质性特点和如下显著的进步性，其技术效果体现在：利用驱动耦合模组将驱动伴生模态放大，极大地增强了陀螺仪的抗振动性；通过对z轴机械全解耦的设计，使驱动过程对z轴信号的耦合度降至最低，提高了z轴的测量精度与稳定性；三轴质量块独立设置，有效降低了各轴之间输出信号的串扰。