微陀螺介绍
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
mems陀螺仪工艺流程
mems陀螺仪工艺流程一、引言MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）陀螺仪是一种利用微机电系统技术制造的精密测量仪器，用于测量物体的旋转角速度。
它由微尺寸的机械结构和微电子器件组成，具有体积小、重量轻、功耗低等优点。
本文将介绍MEMS陀螺仪的工艺流程。
二、工艺流程1. 设计与模拟MEMS陀螺仪的工艺流程首先需要进行设计与模拟。
设计师根据需求确定陀螺仪的功能和性能指标，并通过计算机辅助设计软件进行模拟和验证。
设计包括机械结构设计、电路设计和封装设计等。
模拟则通过数值计算和仿真软件进行，以验证设计的可行性和优化设计参数。
2. 掩膜制备接下来是掩膜制备阶段。
掩膜是制作MEMS陀螺仪的关键工艺，它相当于制作微米级结构的模板。
制备掩膜通常采用光刻技术，即将光敏胶涂覆在硅片上，然后使用掩膜对光敏胶进行曝光，最后通过显影和清洗等步骤得到所需的掩膜结构。
3. 基片制备基片制备是指制作MEMS陀螺仪的硅基片。
首先，选择高纯度的单晶硅材料，并进行切割和研磨，以获得平整的硅片。
然后，在硅片上进行氧化处理，形成氧化硅层，作为陀螺仪的基底。
接下来，通过光刻、蚀刻和沉积等工艺步骤，在硅片上制备出陀螺仪的机械结构和电路等。
4. 结构制备结构制备是制作MEMS陀螺仪的关键步骤之一。
通过光刻和蚀刻等工艺，在硅片上制备出陀螺仪的机械结构，包括感应电极、驱动电极和挠曲结构等。
其中，感应电极用于检测陀螺仪的旋转角速度，驱动电极用于施加驱动力，挠曲结构则用于实现陀螺仪的旋转测量。
5. 封装与封装测试在结构制备完成后，需要对MEMS陀螺仪进行封装。
封装工艺通常包括焊接、封装材料注入、密封和测试等步骤。
焊接是将陀螺仪芯片与封装底座焊接在一起，以提供电气连接。
封装材料注入是将封装材料注入封装底座中，以保护陀螺仪芯片。
密封是将封装底座密封，以防止外界环境对陀螺仪的影响。
封装测试是对封装后的陀螺仪进行性能测试，以确保其符合设计要求。
MEMS陀螺仪原理
mems陀螺仪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。
目录•mems陀螺仪的原理•mems陀螺仪的特点•mems陀螺仪的构成•mems陀螺仪的选用•mems陀螺仪的安装mems陀螺仪的原理•MEMS 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(图一).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.mems陀螺仪的特点•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。
20陀螺课件(50张PPT)
陀螺发展历程及现状
发展历程
从最早的机械陀螺到现代的光学陀螺和微机械陀螺，陀螺技术经历了多次变革 和进步。
现状
目前，光学陀螺和微机械陀螺已成为主流，具有高精度、高可靠性、小型化等 优点。同时，新型陀螺技术如量子陀螺等也在不断发展中。
02
陀螺仪结构与工作 原理
陀螺仪基本结构组成
转子
高速旋转的对称刚 体，提供陀螺力矩
驱动装置
使转子保持恒定转 速的装置
陀螺仪主要部件
转子、支架、驱动 装置、测量装置
支架
支撑转子并允许其 在特定自由度上旋 转
测量装置
检测转子进动角速 度的装置
陀螺仪工作原理剖析
陀螺仪力学基础
动量矩守恒定律
陀螺仪进动性
在外力矩作用下，转子绕动量矩矢量旋转
陀螺仪定轴性
陀螺仪进动角速度与外力矩关系
在不受外力矩作用时，转子动量矩矢量保持 恒定方向
姿态控制系统概述及功能需求
姿态控制系统定义
通过传感器感知载体姿态变化，并通过执 行机构调整载体姿态，使其保持稳定或按
照预定轨迹运动的系统。
稳定性
在各种干扰下，能够保持稳定的姿态控制 性能。
实时性
能够快速响应姿态变化，及时调整控制策 略。
精确性
能够精确感知和控制姿态变化，减小误差。
陀螺仪在姿态控制系统中作用
典型案例分析：车载稳定平台设计
姿态稳定度
≤0.1°（横滚、俯仰）；
指向精度
≤1mrad；
典型案例分析：车载稳定平台设计
• 环境适应性：适应不同路况和车速下的稳定需求。
典型案例分析：车载稳定平台设计
解决方案
采用高精度陀螺仪和加速度计组成惯性测量单元（IMU），实现姿态的 高精度感知；
微型陀螺仪
华中科技大学机械科学与工程学院2015-2016 年第1 学期课程报告考生姓名：潜世界考生学号：M201570372专业、班级：机硕1502 班课程名称：微纳制造技术基础授课教师：朱福龙课程成绩：考查日期：2015年11月摘要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。
文章首先对陀螺仪做了简单的原理和功能介绍，阐述了当前微陀螺仪是非常具有前景的研究防线，并简单介绍了几种常见的微陀螺仪，然后对微陀螺仪的结构进行了简单的分析并且分析了微机械陀螺仪的设计及制造过程和工艺方法并对其中的技术难点进行了分析，也对加工陀螺仪必须的MEM工艺进行了概述，然后对微陀螺仪的前景及应用进行了进一步的探讨。
关键词：微机械陀螺仪、MEM技术、制造过程AbstractGyroscope is a kind of inertial device which can be sensitiveto the angle or angular velocity of the carrier, which is very important in attitude control and navigation. Because of the large volume, high cost and not suitable for mass production, thetraditional mechanical gyroscope has been used in many aspects.Driven by the development of science and technology and the demand of the market, the gyroscope is developing in the direction of high precision, high reliability, miniaturization, multi axis measurement and multi function measurement. With the development of MEMS technology, the application of MEMS micro machining technology in the fabrication of inertial device greatly reduces the size of the gyroscope, reduces the cost of production, and can be used in the fields of automobile, industrial automation, consumer electronics and other fields.Firstly, this paper introduces the principle and function ofthe gyroscope. The current research on the micro gyroscope is very promising, and some common micro gyroscope is introduced. Then the structure of the micro gyroscope is analyzed. The design and manufacturing process and process method are analyzed.Keywords：Micromechanical gyroscopes, MEMS technology, production process、微机械陀螺仪研究背景（一）概念简介微机械MEM 是英文Micro Electro Mechanical systems 的缩写，即微电子 机械系统。
介绍现在的陀螺的作文
介绍现在的陀螺的作文
题目：《旋转的速度与激情：现代陀螺的魅力》
陀螺这一看似简单的玩具，却承载着无穷的速度与激情。
不再是传统木质或金属材质的简单构造，现代陀螺融入了高科技元素，不仅在外形设计上更富创意与个性，在旋转速度和竞技性能上更是达到了前所未有的高度。
如今，电动陀螺凭借其强大的动力系统，能够实现惊人的转速。
例如，一些高端电动战斗陀螺，内置高效能电机驱动，瞬间爆发力强，最高转速可轻易突破每分钟数千转，甚至接近上万转，即每秒近百转以上，展现出了极致的速度魅力。
这种旋转的狂飚，犹如赛道上的赛车，挑战极限，燃烧着每一位玩家心中的激情。
不仅如此，现代陀螺在竞技玩法上也日益丰富多元。
它们配备精密的陀螺仪传感器，不仅能保持稳定的高速旋转，还能通过调整配重、改变重心位置来影响陀螺的战术表现，使其在对抗中展现出灵活多变的策略性和竞技性。
陀螺大赛不仅仅考验着陀螺本身的性能，更成为了玩家们智慧与勇气的较量场。
无论是光学陀螺等精密仪器级别的陀螺技术在现代导航、航空航天等高科技领域的应用，还是日常生活中的娱乐竞技陀螺，都在以其独特的方式诠释着速度与激情的内涵。
从幼儿园的孩子们手中色彩斑斓的小型塑料陀螺，到青少年热衷的竞技陀螺赛事，再到尖端科技设备内部精准感知姿
态变化的微型陀螺仪，展示出了陀螺这一古老而又焕发新生的事物所蕴含的无限活力与创新精神。
mems陀螺失效现象
mems陀螺失效现象摘要：1.介绍MEMS 陀螺2.MEMS 陀螺的失效现象3.失效现象的原因4.解决失效现象的方法5.总结正文：MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 陀螺，即微机电系统陀螺，是一种利用微电子技术制造的微型陀螺仪，具有体积小、质量轻、功耗低、精度高等优点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、医疗等领域。
然而，MEMS 陀螺在使用过程中会出现失效现象。
失效现象主要包括以下两种:第一种是漂移失效。
漂移是指MEMS 陀螺在无外力作用下，由于内部摩擦等因素导致的角速度不稳定现象。
漂移失效会导致MEMS 陀螺的角速度误差不断累积，最终导致测量结果的误差。
第二种是机械失效。
机械失效是指MEMS 陀螺由于内部结构的损坏、磨损等原因导致的失效。
机械失效会导致MEMS 陀螺的结构变形、质量变化等问题，从而影响其测量精度和稳定性。
那么，MEMS 陀螺失效现象的原因是什么呢？MEMS 陀螺的失效现象主要是由于其内部结构的微小尺寸和复杂性导致的。
由于MEMS 陀螺的内部结构非常微小，因此容易受到温度、湿度、振动等因素的影响。
同时，MEMS 陀螺的内部结构非常复杂，由多个微小的部件组成，因此在制造和使用过程中容易产生缺陷和故障。
针对MEMS 陀螺失效现象，有哪些解决方法呢？为了减少漂移失效，可以采用以下方法：减少内部摩擦、提高角速度稳定性、采用温度补偿技术等。
为了减少机械失效，可以采用以下方法：提高材料强度、增加制造工艺的精度、采用可靠性更高的结构设计等。
MEMS 陀螺是一种高精度、高稳定性的微型陀螺仪，被广泛应用于各个领域。
但是，MEMS 陀螺在使用过程中会出现漂移失效和机械失效等失效现象。
微机械陀螺仪的基本工作原理、主要特点及应用情况 ppt课件
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1.3 研究现状与研究意义
目前，微机械陀螺仪还属于中、低精度范畴，它们 的研制成功将投入更多的军事和商业应用。尤其在军 事方面，通过采用微机械陀螺仪技术，可以把制导、 导航和控制引入以前未能考虑的一些武器系统中，典 型的如各种制导炮弹和弹丸。
由于硅材料固有的温度敏感性，需要对硅微陀螺仪的 温度特性作特别处理。
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内容提要
1. 概述
2.基本工作原理 3.主要特点
4.应用情况
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4. 应用情况
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Thank you!
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工方式等
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1.2 微机械陀螺技术 与国外的差距
1. 国内硅微机电陀螺技术在设计理论研究上和国外 存在差距
2. MEMS工艺条件和国外相比存在较大的差距，产 品加速度敏感性普遍偏大
3. 微弱信号检测及专用集成电路水平和国外相比存 在较大的差距
4. 国内硅微机电陀螺仪的工程化水平和国外相比存 在较大的差距
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内容提要
1. 概述
2.基本工作原理
3.主要特点 4.应用情况
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2. 基本工作原理
基于哥氏效应工作
Ω 敏感轴
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检 测 运 动
动 运 动 驱
2. 基本工作原理
框架式微机械振动陀螺仪结构形式
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2. 基本工作原理
框架式微机械振动陀螺仪的控制系统框图
体微机械加工表面机械加工和liga加工方式等11国内硅微机电陀螺技术在设计理论研究上和国外存在差距mems工艺条件和国外相比存在较大的差距产品加速度敏感性普遍偏大微弱信号检测及专用集成电路水平和国外相比存在较大的差距国内硅微机电陀螺仪的工程化水平和国外相比存在较大的差距国内硅微机电陀螺仪加速度敏感性普遍偏大12目前微机械陀螺仪还属于中低精度范畴它们的研制成功将投入更多的军事和商业应用
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介 质 类
可根 分据 为工 作 方 式 的 不 同 ，
振动式微机电陀螺
• 当前微机电陀螺的主流 • 硅微陀螺仪
• 优点：结构简单、制作容易 • 缺点：温度特性较差、 结构与电路无法一体化制作、 各种噪声及振动的非线性、 加工工艺局限
按驱动方式 电容驱动 电磁驱动 电压驱动 按检测方式 电容检测 电流检测 频率检测 电阻检测 压电检测
微机电陀螺仪的结构
• 一般的 MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电 容板形状的传感部分组成。有的设计还带有去驱 动和传感耦合的结构。
梳子结构的驱动部分
电容板形状的传感部分
带有去驱动和传感耦合的结构
微机电振动式陀螺动力学
• 陀螺的完整系动力学方程可由广义坐标系 下的基本形式拉格朗日方程描述 d T T qi i x dt x
APKWS制导火箭弹
微机电陀螺在军事上的运用
（2）代替现有中近程战术导弹中的陀螺仪， 降低导弹成本， 提高精确打击武器的装备 量与战斗力。
微机电陀螺在军事上的运用
例如：AIS 公司研制的SiRRS 系列微机电陀螺及惯性测量 组合 SiIMU 在英国“海狼” 舰载防空导弹和 NLAW 反坦克 导弹等武器装备上得到应用
微机电陀螺仪介绍
学 生：陆煜桦 学 号：201521080111 指 导 老 师 ：黎业飞
本文贡献
• 分析微机电陀螺仪的工作原理、科里奥利力原理、 介绍微机电陀螺仪结构以及动力学、介绍了微机 电陀螺仪现代应用（重点军事上运用）及研究发 展趋势。国外微陀螺技术发展迅猛，目前达到的 性能指标已经远远超过最初对微陀螺性能的预计 值。但随着研究的深入和应用需求的扩展，对微 机电陀螺提出了低成本、高精度和高过载、高动 态等要求。需要在结构、工艺、组装及温控和信 号处理等方面不断创新和改进。
（1）常规武器的制导化改造。
例 如 ： 美 国 Honeywell 公司的 HG1700 微机电 陀螺在JDAM 制导航空 炸弹和陆射制导火箭弹 中得到了应用
JDAM 制导航空炸弹和陆射制导火箭弹
微机电陀螺在军事上的运用
BAE 公 司 的 微 机 电 惯 性 测量组合在 APKWS 制导火 箭弹中得到了应用
微机电机械系统（MEMS）
• 是近年来发展起来的一种新型多学科交叉 的技术。
• 涉及机械、电子、化学、物理、光学、生 物、材料等多学科。 • 可将机械构件、光学系统、驱动部件、电 控系统集成为一个整体单元的微型系统。
微机械陀螺仪（MEMS gyroscope）
• 工作原理：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
GG5200应用于Stryker 装 甲车的炮塔稳定平台
GG5300 应用于美国M1 主战 坦克的炮控稳定系统中
微机电陀螺在军事上的运用
（三）微机电陀螺是载具姿态测量的重要器件
目前国外的微机电陀螺已经广泛应用在航空载具上了， 例如美国BEI 公司的QRS116 高性能微机电陀螺已经成 功用于F-22 战斗机上，用于姿态测量。AIS 公司研制 的SiRRS 系列微机电陀螺已经应用于“阿帕奇”武装 直升机和A400M 运输机上
微机电陀螺仪的结构
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。绝大多数 MEMS 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。振动物体被柔软的弹性结构 悬挂在基底之上。整体动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。
振动式微机电陀螺
• 改进方向：
（1）改进结构和工艺 （2）温度稳定性控制 （3）虚拟陀螺仪技术
JPL纯硅结构陀螺
JPL混合结构陀螺
转子式微机电陀螺
• 传统的转子陀螺与微机电系统技术相结合 的产物
微机电 系统技 术 静电陀 螺技术 静电悬 浮微陀 螺
微机电 系统技 术
动力调 谐陀螺 技术
调谐式 微陀螺
• 旋转中的陀螺仪会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。
科里奥利力原理图
科里奥利力原理图
微机械陀螺仪原理
• 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。
ห้องสมุดไป่ตู้
陀螺的简化动力学模型
微机电陀螺的现状
• 陀螺仪是惯性导航中一种重要传感器， 能 检测载体相对惯性空间转动角速度或绝对 角度，是惯性导航与制导、运动系统的姿 态监测与稳定控制的核心部件。
微机电陀螺的现状
• 陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性按照 零偏稳定性的大小可分为：
惯性级（小于0.01°/h）
战术级（0.1~10°/h）
“海狼”舰载防空导弹
NLAW 反坦克导弹
微机电陀螺在军事上的运用
• （二）微机电陀螺是惯性稳定平台的重要 部件
• 陀螺用于测量敏感平台相对于惯性空间的 角速率，稳定平台根据陀螺测得的惯性角 速率，输出一个反向作用力以抵消载体运 动的影响， 从而保持平台的姿态稳定。
微机电陀螺在军事上的运用
例如：美国BEI 公司 研制的固态石英音叉 型 振 动 陀 螺 QRS116 已经应用到“捕食者” 无人机的稳定平台中
微机电陀螺在军事上的运用
QRS116用于F-22 战斗机
SiRRS 应用于“阿帕奇” 武装直升机
SiRRS 应用于A400M 运输机
微机电陀螺研究发展趋势
• 微机电陀螺仪起步于20世纪80年代后期， 经过20多年的努力，微机电陀螺仪技术取 得了长足的进步与发展。已开发研制出数 十种微机电陀螺。
振 动 式 转 子 式
QRS116 已经应用到“捕食者” 无人机的稳定平台
微机电陀螺在军事上的运用
Honeywell 公 司 研 制 的 新型两轴微机械陀螺 GG5200 已 替 代 传 统 的 机 械 陀 螺 应 用 到 Stryker 装甲车的炮塔稳定平台 中，三轴微机械陀螺 GG5300 则被应用于美国 M1 主战坦克的炮控稳定 系统中
其中 T EK EP 即为拉格朗日函数，EK 为广义坐标系下 的敏感质量块的动能，EP 为广义坐标系下的敏感质量块的 i 为广 qi 为广义坐标系下敏感质量所受外力，T x 势能， i 为广义速度， xi 为广义坐标。 义动量，x
微机电振动式陀螺动力学
• 驱动方向的驱动力由外部提供，质量块在 敏感(检测)方向因哥氏力作用产生位移。
速率级（大于10°/h）
微机电陀螺的特点
体积小
可批量 生产
成本低
可靠性 高
功耗小
微机电陀螺在军事上的运用
• （一）微机电陀螺是精确制导武器的核心 元件 • 以精确打击为目的的制导武器成为军队装 备系统的核心。微惯性组合是发展新型弹 药和对现役装备进行制导化改造的关键基 础部件。
微机电陀螺在军事上的运用
转子式微机电陀螺
谐式微陀螺结构示意图
转子体三环结构
介质类微机电陀螺
• 声表面波陀螺
通过检测声表面波则实现了角速率的测量
• 微流体陀螺
结合MEMS技术与传统的压电射流角速率陀螺
承受高过载 响应速度快
特点
寿命长 成本低
结论
目前国际上微机电陀螺技术已经发展较为成熟，多种微机 电陀螺产品性能已经达到了战术级，并在各项领域得到了 广泛应用，实验室研究水平也已经突破了惯导级。但是基 于目前的工艺水平，微机电陀螺精度依旧有很大的发展潜 力，我们可以通过对其进行误差特性分析、优化结构设计 等方法提高其可用精度。