微机械陀螺简述,微惯性技术
2024-微机械陀螺简述,微惯性技术
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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成 和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
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表征微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
4. 测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺根本原理
振动式微机械陀螺根本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺根本原理
现代陀螺技术的发展及应用分析论文
现代陀螺技术的发展及应用分析论文现代陀螺技术的发展及应用分析论文1 现代陀螺技术1.1 有悬浮支承的机电转子陀螺技术。
机电转子陀螺是基于经典力学原理制成的陀螺仪。
其原理是利用绕对称轴高速旋转的刚体具有稳定性和进动性的特性来实现对角速度和角偏差的测量。
采用悬浮支撑技术的转子陀螺发展至今已十分成熟，目前单轴液浮陀螺精度已达0.001°/h，采用铍材料浮子后可优于0.0005°/h，三浮陀螺的精度优于1.5×10-5°/h，有报道称第四代三浮陀螺的精度甚至可达1.5×10-7°/h。
动力调谐陀螺技术体积小、重量轻，是转子陀螺技术上的重大革新，国外产品精度可达0.001°/h。
而采用真空静电悬浮技术的静电陀螺，其转子不存在接触摩擦，摩擦干扰力矩几乎趋近于零，是目前公认的精度最高的转子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。
1.2 光学陀螺技术。
1) 激光陀螺技术。
激光陀螺是基于萨格纳克(Sagnac)效应制成的陀螺。
其原理是通过测量两束光波沿着同一个圆周路径反向而行产生的光程差来实现对角速度测量。
1963 年，美国Sperry 公司首次成功研制出环形激光陀螺。
1975 年，Honeywell 公司研制出机械抖动偏频激光陀螺，采用激光陀螺技术的捷联惯性导航系统真正进入了实用阶段。
20 世纪90 年代末期，Litton 公司又研制出了无机械抖动的四频差动激光陀螺，精度可达0.001°/h。
目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已达0.00015°/h。
2)光纤陀螺技术。
光纤陀螺与激光陀螺原理相同，不同之处是用光纤作为激光回路，可看作是第二代激光陀螺。
由于光纤可以绕制，因此光纤陀螺的激光回路长度比环形激光陀螺大大增加，检测灵敏度和分辨率比激光陀螺也提高了几个数量级，有效克服了激光陀螺的闭锁问题。
微机械陀螺仪概述和发展
微机械陀螺仪概述和发展目前陀螺仪在国内外依然处于比较热门的领域，各国都投入了大量财力物力。
国外已经开始致力于高精度的陀螺仪的研究，我国正处于追赶阶段。
MEMS 微机械陀螺在汽车导航、工业控制、、消费电子、移动应用、航空航天等领域得到了广泛的应用。
由于陀螺仪芯片体积小（1-10毫米），所以其研究难点重点在于结构设计、加工制造、封装和性能、成品率、成本等方面。
标签：陀螺仪；科氏效应；发展1 陀螺仪分类分析陀螺仪种类多，原理也不尽相同，通过对陀螺仪的分析，加强对各个种类陀螺仪的了解和认识，选取分类号为G01C19/56下的微机械陀螺进行分析，2006年版本IPC分类表中只有G01C19/56，随着振动陀螺仪的发展，单一的分类号已经不能满足陀螺仪分类的需求，在2012年IPC修订中增添G01C19/56下14个分类号以及G01C19/57下的12个分类号。
2 微机械陀螺概述当前，研究和开发微纳米级的微机电系统和专用微型仪表，包括传动件、智能材料、执行器以及微纳米传感器等已成为很多领域的热门课题。
随着微机械结构的出现和发展，航天航空微系统时代将伴随而来，微机械结构技术的发展，为未来宇航、飞行、导弹等高端航空航天飞行器的设计提供更精确的服务和很大的发挥空间。
2.1 微机械陀螺仪种类微机械陀螺仪属于一种振动式角速率传感器，用于测量旋转速度或旋转角或加速度，作为重要的惯性器件，具有质量轻、体积小、稳定性高、功耗低、精度高、性能优等诸多优点。
MEMS 陀螺分类方式有多种。
选取其中较为基础的几种进行介绍。
2.2 陀螺种类介绍（1）固体微陀螺。
2006 年，日本Hyogo大学在期刊上发表了了一种新型的压电振动固态微陀螺，该陀螺仪结构较简单，仅仅由一个带电极的锆钛酸铅（PZT）长方体构成。
它利用PZT的逆压电效应激振，以第29 阶纵向谐振模态作为参考线振动，利用压电效应检出角速率信号。
在2009 年，国内的上海交通大学[2-3]率先开展了对于该种新型固态陀螺的研究，陈文元申请的压电微固体模态陀螺采用带质量块的陀螺，在振动模态下，压电体上各点沿着轴向振动，轴向上相对两个棱边同为拉伸或压缩运动，相邻两个棱边的对应点运动方向相反，利用这种形式的振动作为压电微固体模态陀螺的工作振动模态，由于哥氏角速度效应，压电体上的压电电势发生变化，检测质量块上的压电体电压变化，即得出加速度。
MEMS陀螺仪技术原理_三轴陀螺仪技术原理
MEMS陀螺仪技术原理_三轴陀螺仪技术原理MEMS是什么呢？MEMS（Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统）是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术，其是一种可对微米/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、电控系统集成为一整体单元的微型系统。
与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。
传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。
要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。
为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。
科里奥利力（Coriolis force）也就时常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性，由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。
MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺仪利用科里奥利力（旋转物体在径向运动时所受到的切向力），旋转中的陀螺仪可对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。
为了产生这种力，MEMS 陀螺仪通常安装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，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。
这样，MEMS陀螺仪内的陀螺物体在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动，并可在横向作与驱动力差90的微小震荡。
这种科里奥利力好比角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。
三轴角速度与旋转速率成正比以意法半导体的MEMS陀螺仪为例，其核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转（音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动，当音叉开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号）。
MEMS微陀螺技术综述
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
*
部分检测方式的MEMS陀螺性能对比[20]
技术指标 电容式 压电式 压阻式 隧道效应式
阻抗
高
高
低
高
电负载影响 非常大
大
小
小
尺寸
大
小
中等
小
温度范围
非常宽
宽
中等
中等
线性度误差
高
中等
低
高
有无阻尼
有
无
有
有
灵敏度
高
中等
中等
高
电路复杂程度
高
中等
低
高
成本
高
高
低
中
交叉轴敏感度
电源
高精度万用表
辨率测试
螺
转台
等
检
测
控制主机
原
理
框
图
利用前述方法测得传感器输出波形或数据，取不同输 入 情 况 下 的 离 散 点 ， 获 取 批 量 数 据 ， 通 过 Matlab 、 OriginLab、Excel等数据处理软件进行数据的处理和曲线的 拟合，分析陀螺仪线性度，对原始数据进行滤波、变换等 处理，分析陀螺的时频域特性。与利用ANSYS、Matlab等 软件仿真所得数据进行对比分析。
=ω x
z
时，陀螺的检测灵敏度最高。
*
厚膜、深刻蚀、次数少
淀积
封装 测试 部分封装，多种测试
多次重复
光刻
刻蚀
装架
划片
去
除
牺
牲
层
，
释
测试
放 结
构
微机械陀螺仪报告
微机电系统设计学读书报告--浅谈微机械陀螺仪0 引言陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。
传统的机械陀螺仪由于体积大、成本高、不适合批量生产等因素制约了其在很多方面的应用。
在科技发展的推动以及市场需求的牵引下，陀螺仪正朝着高精度、高可靠性、微型化、多轴测量和多功能测量的方向发展。
随着MEMS技术的发展，MEMS微细加工工艺在惯性器件制作中的应用大大减小了陀螺仪的尺寸，降低了生产成本，使其能够在汽车、工业自动化、消费电子等领域得到更广泛的应用。
陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程：从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪(又称挠性陀螺仪，DTG)，从20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺仪(简称微机械陀螺仪，MEMSG)[1]。
微机械陀螺仪在军事领域方面的应用尤为重要，如Honeywell最近研究出的GG5300三轴微机械陀螺封装件高度3.3厘米，直径5.0厘米，专为导引头瞄准线稳定、飞行控制、炮塔稳定而设计，已经成功应用于全球鹰无人机上。
微机械陀螺仪属于微电子机械范畴，按材料分可分为硅微陀螺、石英微陀螺、压电陶瓷微陀螺等。
石英材料结构的品质因数Q值很高，陀螺仪特性最好，且有实用价值，是最早商品化的；硅材料结构完整，弹性好，比较容易得到高Q值的硅微机械结构，随着深反应刻蚀技术（DRIE）的出现，体硅微机械加工技术的加工精度显著提高，因此两种材料的微机械陀螺在市场上都有着广泛的应用。
1 微机械陀螺仪硅微机械陀螺仪的结构常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等。
目前世界上研究的石英微机械陀螺按照结构大致可以分为：单端音叉石英微陀螺、双端音叉石英微陀螺、双端固定石英音叉微陀螺、双“Ｔ”型石英微陀螺、双锤头型石英微陀螺和三角型石英微陀螺等。
微机械陀螺工作原理
微机械陀螺工作原理
微机械陀螺是一种由微小机械结构构成的陀螺仪。
其工作原理基于陀螺效应和泛振动现象。
陀螺效应是指当陀螺受到外力作用时，其会产生一个相对于作用力方向垂直的力矩，使陀螺发生旋转。
微机械陀螺利用这个特性，通过测量陀螺的旋转角速度来检测外界的旋转或倾斜。
在微机械陀螺中，通常采用微机电系统（MEMS）技术制作陀螺结构。
该结构由一个旋转质量块和支撑结构组成。
当外界旋转作用于陀螺仪时，旋转质量块产生陀螺效应，产生一个力矩使其倾斜或旋转。
支撑结构通过引入压电效应或电感效应进行力矩的测量和控制。
泛振动现象是指当将微机械结构置于一定频率的交变电场或磁场中时，结构会发生微小的周期性振动。
微机械陀螺利用泛振动现象，通过检测振动频率的变化来测量陀螺的旋转角速度。
当陀螺旋转时，振动频率会发生微小的变化，通过检测这种变化可以测量出陀螺的旋转速度。
综合上述原理，微机械陀螺可以通过测量陀螺效应或泛振动现象来检测外界的旋转或倾斜。
这种小型化的陀螺仪具有体积小、功耗低、成本低等特点，广泛应用于惯导系统、无人机、智能手机等领域。
mems陀螺仪原理
mems陀螺仪原理
mems陀螺仪是一种基于微电子机械系统（MEMS）技术的陀
螺仪，其原理是利用惯性力和Coriolis效应来测量物体的旋转
角度。
mems陀螺仪通常由一个微小的敏感元件和一个驱动元件组成。
敏感元件用于感知物体的旋转运动，而驱动元件则用于提供驱动力。
这两者共同工作，使得mems陀螺仪能够准确测量物体
的旋转角度。
敏感元件通常由微小的振动体构成，它们被放置在一个微小的腔体内。
当物体发生旋转时，惯性力作用在振动体上，导致其发生位移。
这个位移随着旋转角速度的增加而增加，从而可以用来测量旋转角度的大小。
同时，驱动元件可以通过施加振动力来保持敏感元件的振动。
这种振动力可以通过微小的电极施加，从而实现对振动体的控制。
通过控制驱动元件的振动频率和振动幅度，可以确保敏感元件在操作范围内保持稳定的振动状态。
在mems陀螺仪中，Coriolis效应起到了关键的作用。
当敏感
元件振动时，由于物体的旋转，振动体会感受到一个由Coriolis力引起的横向力，这个力与振动方向垂直。
通过测量
这个横向力的大小，可以确定物体的旋转角速度。
综上所述，mems陀螺仪通过利用惯性力和Coriolis效应，结
合微电子机械系统技术，实现对物体旋转角度的准确测量。
它
在航空航天、汽车导航、智能手持设备等应用领域有着广泛的应用。
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缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
目前，微机械陀螺基本都是振动式的，因此本文将着 重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框 架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成。
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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成 和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
Vt0=V
向 分 Vr1=r1 ω
Vr0=r0 ω
向 分
速 度
α=ωt
析
α=ωt
析
分
析
由于对时间取极限t→0
两个加速度方向 相同
柯氏加速度： ac=at+ar=2Vω LOGO
2.2 柯氏效应与柯氏力
根据以上分析验证了“柯氏加速度的方向垂直于角 速度矢量和相对速度矢量”
同时发现：柯氏加速度正比于运动速度和旋转角 速度。 ac=2Vω
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成和 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
优点：
1. 体积小、重量轻、功耗低。
2. 成本低，加工工艺可保证大规模生产。
3. 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的 冲击。
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表面微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺基本原理
振动式微机械陀螺基本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺基本原理
微机械陀螺的基本原理式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。
Vt t
lim
t 0
2V
sin
t
t
2
V
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
ω
柯
氏
V
加
速
度
分
析
ΔVr
切
向
Vr1=r1 ω
Vr0=r0 ω
分
α=ωt
析
ΔVr=Vr1-Vr2
ar
lim
t 0
Vr t
lim
t 0
r1
t
r0
V
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
ω
柯
ΔVt
径
ΔVr
切
氏 加
Vt1=V
柯氏加速度只有当线速度与转速同时存在时才会出 现，因此为测量柯氏加速度需使加速度传感器跟随物体 旋转的同时运动起来。实现的最简单方法就是谐振，即 施加激励使加速度传感器做往复运动。
由于柯氏力正比于驱动谐振的运动频率，因此希望 谐振频率和振幅越大越好。
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2.2 柯氏效应与柯氏力
柯氏效应即coriolis效应，最早用来表述由于地球自 转引起的物体运动方向发生偏折的自然现象，如大气涡 旋方向，河流两岸冲刷程度不一等。在微机械陀螺基本 原理中本质相同，但旋转体不再是地球而是陀螺仪本身。
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2.2 柯氏效应与柯氏力
仅受引力和吊线 张力作用而在惯性空 间固定平面内运动的 摆叫傅科摆。
根据柯氏效应原 理可以解释傅科摆运 动。
傅科摆模型
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2.2 柯氏效应与柯氏力
y ω
解释傅科 摆原理前 先看运动 一个二维 模型
ac
V
x
ac
V
可简单理解为小球运LOGO 动轨迹被柯氏力拉弯
2.2 柯氏效应与柯氏力
初始速度和位置的 不同将会引起运动轨迹 的不同。
微机械陀螺简述
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Contents
微机械陀螺仪基本概念 微机械陀螺仪基本原理 微机械陀螺仪基本性能指标 微机械陀螺仪发展概述
微机械陀螺仪应用
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1、 微机械陀螺仪基本概念
基本概念及组成 微机械陀螺特点 微机械陀螺分类
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1.1 基本概念及组成
陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢 的传感器。微机械陀螺仪(MEMS gyroscope)主要有转子式、 振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。由于 工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易， 因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度 计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。
优点： 1. 体积小、重量轻、功耗低。 2. 成本低，加工工艺可保证大规模生产。 3. 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的
冲击。 4. 测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.2 微机械陀螺特点
下面将利用前面分析的柯氏加速度的方法解释一自 然现象——傅科摆。
ω
V
ac
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2.2 柯氏效应与柯氏力
▪ 傅科摆是法国物理学家傅 科 （ J.B.L.Foucault ） 1851 年 在 巴 黎 国 葬 院 的 圆拱屋顶上悬挂的一个摆 长 约 67 米 、 摆 锤 重 28 千 克的大单摆。随着每一次 摆动，地上巨大的沙盘便 留下摆锤运动的痕迹
ω
z
V
x
将地球建立直角
坐标系，并假设地球
北半球某处有一运动
的傅科摆，摆子切向
线速度为V，方向如
图，设地球自转角速
度为ω。
y
下面将利用柯氏
效应对这一现象进行
解释。
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
z
z
Vz
V
Vy y
V
Vx x
z
y
Vz
ac2
V
ac
ac1Vy y
Vx x x
LOGO
2.2 柯氏效应与柯氏力
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
ω
V
ac
LOGO
2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
ω
柯
氏
V
加
速
度
分
析
ΔVt
径Hale Waihona Puke Vt1=VVt0=V
向 分
α=ωt
析
ΔVt=2Vsin(ωt/2)
at
lim
t 0