MEMS陀螺仪简介剖析.pptVIP

包括微机械陀螺应用的MEMS，在与材料和结构相关的行为和物理特征的整体表现和宏观理论存在很大的不同，在不同环境 (如阻尼、热、电、磁、力等)和工作过程，力学参数存在明显的变化，尺度效应、表面效应、隧道效应将远离宏观力学和物理定律的约束，宏观物理定律已经不能完全对 MEMS 的设计、制造工艺、封装以及应用进行解释和指导。这些因素限制妨碍了微机械陀螺性能的提高[18]。 微机械陀螺与传统陀螺相比表现在尺寸的缩小，但实际的工作原理存在根本的区别，微机械陀螺通过驱动结构进行高频振动，因哥氏效应产生与输入角速度比例的哥氏加速度来感知输入角速度，其驱动和检测方式也必须要遵循结构尺寸缩小情况下的尺度效应，即需要具有足够高检测灵敏度的方法来检测微小的作用力和作用位移的变化。 * MEMS陀螺仪简介 MEMS陀螺仪 MEMS陀螺仪基本概念 MEMS陀螺仪原理与器件 MEMS陀螺仪测试与应用 陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。 陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。 按照制作原理及结构可将其大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪三类。 1. 陀螺仪基本概念 各种原理的陀螺仪 微机械陀螺仪是高新技术产物，具有体积小、功耗低等多种优势，在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景。其成本低，能批量生产，目前已经能够广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等低成本需求应用中。 体积微小的微机械陀螺仪 1.1 MEMS陀螺仪 现在广泛使用的MEMS陀螺仪可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺仪相比传统的陀螺仪有明显的优势： 　　1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。 　　2、低成本。 　　3、高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。 　　4、低功耗。 　　5、大量程。适于高转速大g值的场合。 　　6、易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。 MEMS陀螺仪原理与器件 MEMS陀螺仪基本原理 MEMS陀螺仪结构 MEMS陀螺仪分类 MEMS陀螺仪性能参数 MEMS陀螺仪选用 MEMS陀螺仪工艺方法 2.1 MEMS陀螺仪基本原理 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。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。 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，分别是来自径向加速度、科里奥利加速度和切向加速度。 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。 绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。这种结构由两个振动并不断地做反向运动的物体组成，如图所示。当施加角速率Ω时，每个物体上的科里奥利效应产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号；如果是数字陀螺仪，则转换成最低有效位。 如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同一方向运动。因此，不会检测到电容变化。陀螺仪将输出零速率输出值或最低有效位，表示MEMS陀螺仪对倾斜、撞击或振动等线性加速度不敏感。 MEMS 陀螺仪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大批量生产。 通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致，以实现最大可能的能量转移，从而获得最大灵敏度。大多数 MEMS 陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配，它对系统的振动参数变化极其敏感，而这些系统参数会改变振动的固有频率，因此需要一个好的控制架构来做修正。如果需要