MEMS陀螺仪发展综述及技术研究PPT

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1、MEMS陀螺仪发展综述及技术研究12MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪基本知识目录31、MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪应用领域MEMS陀螺仪国外研究现状MEMS陀螺仪基本概念MEMS陀螺仪国内研究现状MEMS陀螺仪主要性能指标41.1MEMS陀螺仪基本概念陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体转动角速度或角位移的传感器。按照制作原理及结构可将其大致分为转子陀螺仪、光学陀螺仪、振动陀螺仪三类。振动式陀螺是基于柯氏效应工作的机械陀螺，可动部件为谐振子，谐振子的加工工艺主要有传统工艺和微机械加工工艺两种方式。各种原理的陀螺仪

2、5基于微机械加工工艺制造的陀螺仪称为MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪主要有转子式、振动式和介质类三种。目前，MEMS陀螺仪的主流是振动式的，转子式和介质类的MEMS陀螺较为少见。体积微小的微机械陀螺1.1MEMS陀螺仪基本概念61.2MEMS陀螺仪主要性能指标陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。按照零偏稳定性的大小以及其它主要性能指标的不同，可将陀螺仪分为三个级别：惯性级、战术级和速率级。性能指标惯性级战术级速率级零偏漂移(deg/h)<0.010.01~1010~1000角度随机游走系数(deg/√h)<0.001

3、0.001~0.5>0.5标度因数非线性度（%）<0.0010.001~0.10.1~1满量程范围（deg/s）>400>50030~1000带宽（Hz）~100~100>70应用范围飞机、船舶、航天器等航向参考系统、制导导弹等移动终端、汽车、照相机等不同级别陀螺仪的性能指标要求71.3MEMS陀螺仪应用领域微机械陀螺体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、可集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，因此在现代军事领域具有广泛的应用前景。在陀螺仪的传统应用领域，

4、国防军事应用中，高精度微机械陀螺将可用于导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中91.4MEMS陀螺仪国外研究现状微机械陀螺的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关已经比较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国DaimlerBenz公司、Bosch公司，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。其中Boeing公司的8mm直径DRG的最好性能为零偏重复性0.01º/h、角度随机游走0.002º/rt-hr。S

5、ensornor公司也发布了零偏稳定性0.05º/h的产品。国外研究的目标是研制零偏稳定性优于0.01º/h的惯性级微机电陀螺，逐步取代激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。产品。(a)框架式(b)音叉式Draper实验室的微机电陀螺结构10Bosch公司研制的轮式微陀螺结构Michigan大学研制的环式微陀螺结构10（a）双质量音叉式（b）四质量摆式结构（c）盘式谐振结构加州大学Irvine分校研制的微机电陀螺结构111.5MEMS陀螺仪国内研究现状我国的MEMS技术研究工作起步较晚，但正积极开展研究，国家已经投入巨资用于MEMS陀

6、螺技术的研究。目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微系统所、东南大学、国防科大、哈工大等多家单位，经过十多年的努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。（a）振动轮式结构（b）双质量块陀螺结构北京大学研制的微机械陀螺仪12（a）振动轮式结构（b）双解耦Z轴体硅陀螺结构东南大学研制的微机械陀螺仪（a）振动轮式结构（b）线振动解耦陀螺结构清华大学研制的微机械陀螺仪132、MEMS陀螺仪基本知识MEMS陀螺仪分类及基本结构MEMS陀螺仪基

7、本原理MEMS陀螺仪工艺方法MEMS陀螺仪制造技术难点MEMS陀螺仪设计流程及工具142.1MEMS陀螺仪基本原理微机械陀螺的基本原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。柯氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进行判断ωVac15ωyxacV假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用右手旋进准则可判断出，质点将在

8、转盘上不停地沿垂直于简谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用这一原理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿效应检测的微机械陀螺结构）。2.1MEMS陀螺仪基本原理162.1MEMS陀螺仪基本原理MEMS陀螺仪驱动及检测原理左图为清华大学2004年提出的数字