MEMS陀螺仪讲解.ppt

MEMS陀螺仪介绍 小组成员：李月 国玉鸿 贺 强 贺亚强 霍震 微传感器 | 微执行器 MEMS陀螺仪 功能及用途 MEMS陀螺仪 应用及发展趋势 音叉调谐微 机械陀螺仪介绍 MEMS陀螺仪 工作原理 目录 CONTENTS 1 MEMS陀螺仪功能及用途 惯性平台 惯性稳定平台由于能够隔离载体( 导弹、飞机、战车及舰船)的运动干扰，不断调整平台的姿态和位置的变化，精确保持动态姿态基准。 姿态平衡 由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，所以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行。 电子设备 陀螺仪应用于数码相机、数码摄像机中，则可以实现防抖功能，使拍摄的照片、录像更加清晰、真实。也用于手机定位和手机游戏操控。 MEMS陀螺仪即硅微机电陀螺仪，绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。 MEMS陀螺仪介绍 MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是: 1. 体积小、重量轻，其边长都小于 1mm，器件核心的重量仅为1.2mg;　　 2. 可靠性好，工作寿命超过 10 万小时，能承受1000g 的冲击;　 3. 测量范围大; 4. 成本低. MEMS陀螺仪的特点 2 MEMS陀螺仪工作原理 MEMS陀螺仪工作原理 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: 在空间设立动态坐标系.用以下方程计算加速度可以得到三项,分别来自径向加 速,科里奥利加速度和向心加速度. 　 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. 　　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. 3 音叉调谐微机械陀螺仪介绍 微机械陀螺仪器件 1 2 结构 振梁结构 双框架结构 平面对结构 横向音叉结构 梳状音叉结构 梁岛结构等 参考振动的驱动方式 有静电驱动 压电驱动 电磁驱动等 附加振动的检测方式 电容检测 压电检测 压阻检测 光学检测等 根据驱动与检测方式 ① 静电驱动，电容检测 ② 电磁驱动，电容检测 ③ 电磁驱动，压阻检测 ④ 压电驱动，电容检测。 3 4 TFG 的工作原理 TFG 陀螺由一悬空于玻璃基片上的硅结构组成。 在玻璃基片上沉积了一层金属，用此作为电路接 口。硅结构有两惯性质量块，由梁结构顺序支撑, 梁固定在玻璃基片的固定点上。在外驱动质量块 上施加电压，两质量块在静电力作用下产生横向、 平面内的振荡运动。沿输入轴作用的角速度Ω垂 直于质量块的运动速度矢量，由此产生的哥氏力 将质量块中的一块推出运动平面，另一块推进运 动平面，如图 1 中的 F1 与 F2。由于两质量块 的瞬时速度矢量大小相等且方向相反，所以哥氏 力将引起反向平行运动。其合成运动被两质量块 下两片电容片所测得，输出一个与输入角速度成 比例的信号。用与电容片相似的反平衡电极产生 图一：TFG 的工作原理 平衡力提供给惯性质量，使其处于零位附近，便构成了闭环控制。但在许多应用项目中用开环就足够了。 TFG 的加工方法 TFG 采用溶解晶片工艺生产，如图 2 所示。 在膜片1 步骤中，给涂漆的硅晶片上蚀刻出凹槽 来确定玻璃上硅片的高度和旋转电容敏感片的缝 隙。接下来是硼扩散步骤，它可确定结构的厚度。 结构的形状特征由膜片 2 确定，微机械加工采用 活性离子蚀刻（RIE）工艺。玻璃晶片被单独处理， 膜片 3 确定了玻璃凹槽和金属电极形状。 硅晶片被倒置并粘接在玻璃晶片，由热、压 强和静电场合成作用于硅片的硅原子和玻璃