MEMS陀螺仪简介及其应用

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1、MEMS陀螺仪简介及其应用杨永110204116摘要：自陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。陀螺及其相关技术一直是各国重点发展的技术之一，发展十分迅速。迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。随着光电技术、微米/纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应

2、的传感器。因其无活动部件，称为态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。关键词：MEMS;陀螺仪；光学陀螺；微机械陀螺1.MEMS概述MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整

3、体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交义的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。2.MEMS陀螺仪(gyroscope)介绍2.

4、1MEMS陀螺仪(gyroscope)的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是MEMS陀螺仪(gyroscope)的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。MEMS陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。下面是导出科里奥利力的方法。有力学知识的读者应该不难理解。在空间设立动态坐标系(图…)。用以下方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、里奥利加

5、速度和向心加速度。图一动态坐标系r=rrQ4=xdrdfQ-一-—=vr+r—-=vr^-xatatd2rdt1=arr^一2齐石x历一a>r2rQ°Coriolis=_2喘乂历如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。（图二）MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点象

6、加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就象加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。图三是Z轴MEMS陀螺仪。它采用了闭合回路、数字输岀和传感器芯片跟ASIC芯片分开平放连线的封装方法。DigitalFitter:DriveLoopSensingElementAGCevaluationcircuit:angularratesensorAdjustmentinternalBITEADCDACDetectionLoop(Corio

7、lis)SensingElement图三、BOSCHSMG07（）原理图图二、MEMS陀螺仪的驱动和传感2.2MEMS陀螺仪（gyroscope）的结构MEMS陀螺仪（gyroscope）的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术人批量生产。绝大多数MEMS陀螺仪依赖丁•由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动

8、力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。（图一）Sensedirection仞Drivedirection【亘ecrnldEaSlngto-MassDHwandSonsoMod"67686077.1727.3DnvingFroqi>«ncy[kHz]<920Single-MassGyroscopeFrequencyResponse<97549^0480