微機(jī)械陀螺簡(jiǎn)述,微慣性技術(shù)

微機(jī)械陀螺簡(jiǎn)述Contents微機(jī)械陀螺儀基本概念微機(jī)械陀螺儀基本原理微機(jī)械陀螺儀基本性能指標(biāo)微機(jī)械陀螺儀發(fā)展概述微機(jī)械陀螺儀應(yīng)用1、

微機(jī)械陀螺儀基本概念微機(jī)械陀螺特點(diǎn)微機(jī)械陀螺分類基本概念及組成1.1基本概念及組成陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來(lái)測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。微機(jī)械陀螺儀(MEMSgyroscope)主要有轉(zhuǎn)子式、振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀和微機(jī)械加速度計(jì)陀螺儀三種。由于工藝限制，在硅襯底上加工出可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子并不容易，因此轉(zhuǎn)子式的微機(jī)械陀螺并不常見(jiàn)，而振動(dòng)式和微加速度計(jì)式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效應(yīng)。目前，微機(jī)械陀螺基本都是振動(dòng)式的，因此本文將著重對(duì)這類陀螺進(jìn)行介紹。振動(dòng)式微機(jī)械陀螺主要由支撐框架、諧振質(zhì)量塊，以及激勵(lì)和測(cè)量單元幾個(gè)部分構(gòu)成。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)MEMS陀螺儀是利用coriolis定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點(diǎn)是

優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小、重量輕、功耗低。

2.成本低，加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn)。

3.可靠性好，工作壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)g的沖擊。4.測(cè)量范圍大，一些MEMS陀螺儀測(cè)量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：

目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測(cè)量精度相對(duì)較低，漂移較大。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)MEMS陀螺儀是利用coriolis

定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點(diǎn)是

優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小、重量輕、功耗低。

2.成本低，加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn)。

3.可靠性好，工作壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)g的沖擊。4.測(cè)量范圍大，一些MEMS陀螺儀測(cè)量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：

目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測(cè)量精度相對(duì)較低，漂移較大。1.3微機(jī)械陀螺分類微機(jī)械陀螺分類按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)加速度計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)1.3微機(jī)械陀螺分類微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動(dòng)方式按檢測(cè)方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測(cè)電容檢測(cè)壓阻式檢測(cè)光學(xué)檢測(cè)隧道效應(yīng)檢測(cè)按工作模式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)模式開(kāi)環(huán)模式整角模式2、微機(jī)械陀螺基本原理柯氏加速度及柯氏力振動(dòng)式微機(jī)械陀螺基本原理2.1振動(dòng)式微機(jī)械陀螺基本原理微機(jī)械陀螺的基本原理式利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞，將諧振器的一種振動(dòng)模式激勵(lì)到另一種振動(dòng)模式，后一種振動(dòng)模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過(guò)測(cè)量振幅實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測(cè)量?？率霞铀俣戎挥挟?dāng)線速度與轉(zhuǎn)速同時(shí)存在時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，因此為測(cè)量柯氏加速度需使加速度傳感器跟隨物體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。實(shí)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單方法就是諧振，即施加激勵(lì)使加速度傳感器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于柯氏力正比于驅(qū)動(dòng)諧振的運(yùn)動(dòng)頻率，因此希望諧振頻率和振幅越大越好。2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力柯氏效應(yīng)即coriolis效應(yīng)，最早用來(lái)表述由于地球自轉(zhuǎn)引起的物體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏折的自然現(xiàn)象，如大氣渦旋方向，河流兩岸沖刷程度不一等。在微機(jī)械陀螺基本原理中本質(zhì)相同，但旋轉(zhuǎn)體不再是地球而是陀螺儀本身?？率霞铀俣仁莿?dòng)參系的轉(zhuǎn)動(dòng)與動(dòng)點(diǎn)相對(duì)動(dòng)參系運(yùn)動(dòng)相互耦合引起的加速度?？率霞铀俣鹊姆较虼怪庇诮撬俣仁噶亢拖鄬?duì)速度矢量。判斷方法按照右手旋進(jìn)規(guī)則進(jìn)行判斷ωVac2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力ωV柯氏加速度分析ωVt0=VVt1=VΔVtα=ωtΔVt=2Vsin(ωt/2)徑向分析2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力ωV柯氏加速度分析ωVr0=r0

ωα=ωtVr1=r1

ωΔVr切向分析ΔVr=Vr1-Vr22.2柯氏效應(yīng)與柯氏力柯氏加速度分析柯氏加速度：ac=at+ar=2VωωVr0=r0

ωα=ωtVr1=r1

ωΔVr切向分析ωVt0=VVt1=VΔVtα=ωt徑向分析由于對(duì)時(shí)間取極限t→0兩個(gè)加速度方向相同2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力根據(jù)以上分析驗(yàn)證了“柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相對(duì)速度矢量”ωVac

下面將利用前面分析的柯氏加速度的方法解釋一自然現(xiàn)象——傅科擺。同時(shí)發(fā)現(xiàn)：柯氏加速度正比于運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角速度。ac=2Vω2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力傅科擺是法國(guó)物理學(xué)家傅科（J.B.L.Foucault）1851年在巴黎國(guó)葬院的圓拱屋頂上懸掛的一個(gè)擺長(zhǎng)約67米、擺錘重28千克的大單擺。隨著每一次擺動(dòng)，地上巨大的沙盤(pán)便留下擺錘運(yùn)動(dòng)的痕跡2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力僅受引力和吊線張力作用而在慣性空間固定平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的擺叫傅科擺。傅科擺模型根據(jù)柯氏效應(yīng)原理可以解釋傅科擺運(yùn)動(dòng)。2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力ωyxacVVac解釋傅科擺原理前先看運(yùn)動(dòng)一個(gè)二維模型可簡(jiǎn)單理解為小球運(yùn)動(dòng)軌跡被柯氏力拉彎2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力yxzωV將地球建立直角坐標(biāo)系，并假設(shè)地球北半球某處有一運(yùn)動(dòng)的傅科擺，擺子切向線速度為V，方向如圖，設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為ω。

下面將利用柯氏效應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋。2.2柯氏效應(yīng)與柯氏力yxzωVyxzVVxVyVzac1ac2xzyVxVzVVyac2.2柯氏效應(yīng)料與柯氏力初始速驚度和位熊置的不楊同將會(huì)把引起運(yùn)腹動(dòng)軌跡新的不同斧。并且傅捏科擺在掌地球兩銳極擺幅甩最大現(xiàn)迅象最為捏明顯，攀在赤道靜上幾乎指沒(méi)有現(xiàn)悼象。為什么燙？2.2柯氏效應(yīng)登與柯氏力yxzωV赤道和兩垃極傅科擺絞分析xzxyaxVVxVzacVVxVzVVax≠0ay=0az=0ax≠0ay≠0az=02.2柯氏效應(yīng)竹與柯氏力ωyx上面的忠例子與燈微機(jī)械吧陀螺之卷間的關(guān)武系？acV3、微機(jī)械儲(chǔ)陀螺基本瞞性能指標(biāo)非線性度標(biāo)度因歉數(shù)閾值隨機(jī)漂移分辨率性能指標(biāo)測(cè)量范圍性能指標(biāo)隨機(jī)漂移――指由隨機(jī)獲的或不確多定的有害抬力矩引起解的漂移率招。測(cè)量范圍——陀螺儀厭的量程閾值――陀螺儀能快敏感的最義小輸入角堆速率。分辨率――陀螺儀案在規(guī)定托的輸入建角速率乎下，能界敏感的增最小輸不入角速吉率增量寫(xiě)，至少愧應(yīng)等于忠按標(biāo)度秘因數(shù)所盡期望輸鋤出增量毫的50％。標(biāo)度因數(shù)――陀螺儀輸悲出量和輸宿入角速率嚇的比值。標(biāo)度因均數(shù)非線猜性度――在輸入義角速率置范圍內(nèi)廚，陀螺園儀輸出結(jié)量相對(duì)注于最小蛾二乘法鹿擬合直剃線的最湖大的偏邁差和最刑大輸出春量之比歸。4、微機(jī)械索陀螺發(fā)展傅概述微機(jī)械認(rèn)陀螺以怕體積小信、成本僻低、抗酬過(guò)載能肺力強(qiáng)等瘦優(yōu)勢(shì)，聾可應(yīng)用睬于導(dǎo)航潔、制導(dǎo)造、汽車氏、電子測(cè)玩具等疑領(lǐng)域，伙成為世余界各國(guó)親研究的逃熱點(diǎn)。微機(jī)械紹陀螺國(guó)袖內(nèi)外研定究現(xiàn)狀國(guó)外：殲如美國(guó)Dra派per實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、Berk貝eley大學(xué)，德局國(guó)Dai漆mle劫rB忙enz公司、Bosc及h公司，日訂本Toy帖ota公司，以播及土耳其己、芬蘭等崗國(guó)家，已有商章業(yè)化產(chǎn)紹品。國(guó)內(nèi)：有鋼北京大學(xué)寫(xiě)、清華大便學(xué)、復(fù)旦雅大學(xué)、哈腎爾濱工業(yè)刊大學(xué)、中規(guī)科院上海彼微系統(tǒng)所催、中北大災(zāi)學(xué)等，都篩對(duì)陀螺進(jìn)適行了深入錯(cuò)的研究，蒙取得了一會(huì)定的成果擋，但無(wú)商業(yè)縮慧化產(chǎn)品叮，處于驢研究階堤段。德國(guó)Bos炸ch公司芬蘭赫爾丘辛基工業(yè)奪大學(xué)土耳其安虎卡拉中東宏科技大學(xué)日本Mur其ata票Mf愈g.C偵o美國(guó)Mich娃igan大學(xué)返回單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測(cè)機(jī)理靈敏度/分辨率噪聲/漂移美國(guó)Michigan大學(xué)振動(dòng)環(huán)式電容檢測(cè)25Hz帶寬下分辨率0.5/s7.2/h日本MurataMfg.Co獨(dú)立梁式電容驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)25Hz帶寬下分辨率0.07/s/土耳其安卡拉中東科技大學(xué)電容驅(qū)動(dòng)3mm×3mm電容檢測(cè)真空24mV/o/s大氣100μV/o/s/芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)框架式角振動(dòng)電容檢測(cè)信噪比51.6dB德國(guó)Bosch公司雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)18mV//s量程為100o/s國(guó)外微旦機(jī)械陀晃螺的特母點(diǎn)與性齊能指標(biāo)北京大曲學(xué)、清旅華大學(xué)宰、復(fù)旦頁(yè)大學(xué)，談中科院擦上海微晚系統(tǒng)所返回單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測(cè)機(jī)理靈敏度噪聲/漂移北大諧振式電容檢測(cè)22mv/°/s清華角振動(dòng)電容檢測(cè)1.9mV/°/s/復(fù)旦雙質(zhì)量塊電容驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)電橋輸出0.22μV/°/s/中科院雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)9.8mV/°/s中北大學(xué)諧振式電容檢測(cè)0.7mV/°/s國(guó)內(nèi)微機(jī)商械陀螺的躬特點(diǎn)與性昆能指標(biāo)從國(guó)內(nèi)視外發(fā)展桐現(xiàn)狀來(lái)膏看，微謝機(jī)械陀旺螺的特詳點(diǎn)總結(jié)腸如下：1、機(jī)械濃結(jié)構(gòu)：調(diào)圓環(huán)、煤獨(dú)立梁撐、框架緞、雙質(zhì)勸量塊2、驅(qū)動(dòng)方彈式：電容詢驅(qū)動(dòng)的多3、檢測(cè)方材式：電容小檢測(cè)的多4、使用統(tǒng)的材料喘：都是Si基，靈敏宋度mV級(jí)5、微機(jī)械仗陀螺應(yīng)用微機(jī)械陀拼螺目前精額度在10-2°/h左右，澤還將進(jìn)方一步提危高到10-3°/h。隨著先歇進(jìn)的微電偷子技術(shù)的勤發(fā)展，預(yù)座計(jì)微機(jī)械羊陀螺的價(jià)摘格將會(huì)在攤一美元到每幾百美元脖之間。其遣低廉的價(jià)著格使其具堆有廣闊的薦應(yīng)用前景命，有望在潑一些新的賠領(lǐng)域中得精到應(yīng)用，啟如車載導(dǎo)合航系統(tǒng)、養(yǎng)天文望遠(yuǎn)拜鏡、工業(yè)反機(jī)器人、攜計(jì)算機(jī)鼠身標(biāo)，甚至債是玩具上賴。智能手機(jī)頓中汽車中空中無(wú)粉線鼠標(biāo)浮中數(shù)碼相機(jī)耳中智能機(jī)殼器人中應(yīng)用舉例應(yīng)用前景能展望在MEMS中還存講在著大揉量具有漢挑戰(zhàn)性曠的力、食磁、電游等問(wèn)題距需要研鞠究,對(duì)這些攏問(wèn)題的怨有效解去決則將脂會(huì)加快膝推動(dòng)微賄機(jī)械陀叼螺儀技晚術(shù)的發(fā)叢展1、應(yīng)用比歇重增大2、仍然己面臨挑維戰(zhàn)過(guò)去幾十頸年內(nèi)，在礎(chǔ)汽車工業(yè)犁需求的推膛動(dòng)下,微陀螺膊技術(shù)取碗得了長(zhǎng)肥足進(jìn)展箱，隨著窗對(duì)傳感踐器小型疏化、集癢成化的綿應(yīng)用需問(wèn)求，其當(dāng)在應(yīng)用金領(lǐng)域中盟的比重珠將會(huì)不覆斷增大腫。Than船kYo杏u!表面工哥藝制作終的微結(jié)兆構(gòu)體硅工藝毀制作的微啟結(jié)構(gòu)返回壓電驅(qū)付動(dòng)靜電驅(qū)穗動(dòng)電容斯檢測(cè)電磁驅(qū)動(dòng)慣壓阻檢測(cè)隧道效枕應(yīng)檢測(cè)返回謝謝觀