微惯性技术

AD公司生产的陀螺内部结构
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典型的陀螺仪
AD 公司 双轴陀螺
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美国BEI公司生产的QR14
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陀螺仪的分类
非机械式
激光陀螺和光纤陀螺 机械式（主要介绍微机械式） 1）振动式微机械陀螺仪 2）转子式微机械陀螺仪 3）微机械加速度计陀螺仪
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1）振动式微机械陀螺仪
利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被 基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度。
39
差频电路
先用乘法器，使得两个频率信号相乘。然后用一个低通滤 波器滤除掉高频信号，则可以得到所要的差频信号
Y sin 2f1t B sin 2f 2t cos2 f1 f 2 t cos2 f1 f 2 t AB / 2
40
4.5 热对流式加速度计
7
按控制方式来分：
有开环式和闭环式。
8
根据梁的个数
单梁结构、单端双梁结构、双端双梁结构、 多梁结构
9
10
根据敏感轴数量
单轴、双轴、三轴
11
按信号检测方式来分
压阻效应
电容效应
隧穿效应
压电效应 电感效应 谐振效应 热效应 光学效应
12
1.1 压阻式加速度计
特点
驱动电路 1
振梁 1
驱动电路 2
振梁 2
差 频 电 路
输出
幅值整形电路
37
驱动电路
利用锁相环电路或反馈回路来控制振荡电路的频 率，使得两谐振梁在各自的固有频率下共振，这 样两个谐振梁的振幅达到最大值，从而输出频率 信号的幅值达到最大值。
38
频率检测电路
频率检测电路是间接地通过测电容的变化来测 得输出信号频率的。主要由电荷放大器构成， 用以将电容的电荷量转换成电压信号。
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角速率传感器——基本工作原理
敏感方向 驱动方向 放大 解调放大
Vo
驱动
68
角速率传感器——音叉式
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典型的陀螺仪
可用于军事、民用航空、汽车、导弹等领域的高性能长寿命 的微型陀螺仪，其大小比衬衫的纽扣还小，重量不足1克。
70
典型的陀螺仪
日本的CRS-03 陀螺,中间是一个磁铁
71
典型的陀螺仪
另一类是将两只单自由度加速度计封装在一起
46
带折叠梁的叉指电容式微加速度传感器结构示意图
47
4.8 微型三轴加速度计
三轴电容式加速度计
48
三轴硅微压阻式加速度计
49
Sandia National Laboratories
三轴加速度计
50
微机械加速度传感器
51
5 微加速度计的设计程序
性能指标 检测原理 机械结构 电路 控制方式 试验测试
4
1.2 基本工作原理
基本物理原理
d 2x dx m 2 b kx maext dt dt
F=ma
弹簧
读出传感器 壳体
加速度测量方向
m
检测质量
阻尼器
5
1.3 微加速度计的分类
按检测质量的运动形式来分：
有角振动式和线振动式加速度计
6
按检测质量支承方式来分：
有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式
电压反馈
电压放大 33
4.4 谐振式加速度计
特点
直接数字输出 潜在的高精度
a
m
振梁
34
工作原理
1 1 f1 ' f1 (1 F1 S1 ) f1 1 F1 S1 ( F1 S1 ) 2 8 2
1 2
1 1 f 2 ' f 2 (1 F2 S 2 ) f 2 1 F2 S 2 ( F2 S 2 ) 2 8 2
59
60
61
微陀螺仪
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陀螺仪简介
陀螺是一种用于测量旋转速度或旋转角 的仪器。
它在运输系统，例如导航、刹车调节控 制和加速度测量等方面有很多应用。 宏观的陀螺可分成两个主要种类：非机 械（光学的）式的或机械式的。
63
非机械陀螺利用光环使光束在相反方向旋转。 当陀螺结构旋转时，检测光束的多普勒移位。 而宏观的机械式的陀螺通常是用一个旋转的 圆盘产生一个惯性的参照体，由于微机械方 法加工带有足够质量的旋转部分很难，所以 典型的微机械陀螺使用振动结构。
A C1 C 2 z0
19
图a
Cs1
0 A
d 0 d
Cs 2
0 A
d 0 d
d C Cs 2 Cs1 2C0 d0
F ma kd
2m C0 C1 a kd0
20
4.2.2 扭摆式微机械加速度计
扭摆式硅微机械加速度计 最初由美国德雷珀实验室 研制。 整个加速度计由挠性轴、 角振动板块和质量块、四 个电极及其电子线路组成。 质量块敏感加速度引起板 块的角振动，产生电容输 出信号。
22
s
hdx h z 0 s b ln z 0 x z 0 s
s
动极板角位移引起敏感极板电容量的变 化为
A2s b C C 2 C1 2 z0
23
4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计
24
25
在没有加速度输入时
C0 Ct10 Ct 20 GS Gh1 4n1 d0 d0
微惯性器件元件
1
主要内容
微加速度计
微陀螺仪 微型惯性测量组合
2
微加速度计
微加速度计
定义 工作原理
分类
信号检测
设计程序
3
1.1 加速度计
加速度计是利用检测质量块或震动探测块来测量
加速度的。
外部加速度对质量块发生作用，然后通过测量质 量块的位移、质量块对框架的作用力，或保持其 位置不同所需的力来得出加速度值。
多采用平面电极或梳状电极静电驱动，并采 用平板电容器进行检测。
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可分为：
梳状驱动平板式振动陀螺仪
64
角速率传感器——基本工作原理
旋转刚体
定轴性 进动性
振动刚体
傅科摆
FC mV
65
陀螺仪简介
66
音叉式陀螺仪原理介绍
音叉式振动陀螺仪的典型结构如上图所示。其简 化示意图如上所示，设音叉两臂的质量都分别集 中于其端点，且为m0，设在某一瞬时，两集中质 量相向速度分别为v1及v2，且有关系式v1=v2=v， 载体绕轴的转动角速度为ωx，由于哥氏效应，两 集中质量的哥氏加速度绝对值为ac=2 ωx v，方向 如图所示，哥氏力Fc=2m ωx v，哥氏力矩 M=4mR ωx v。我们就通过检测哥氏力或哥氏力 矩的大小来得到载体的角速度ωx。
特点
结构和读出电路简单 响应较慢
线性工作范围小
受温度影响大
加热电阻 a
＋V
Vo
－V
热敏电阻
气腔
41
工作原理
热对流加速度计包含一个密闭的腔体， 腔体中充有 流体，其中有一个加热元件把腔体中加热元件周围的 流体加热， 加热后的流体发生膨胀而密度下降，在 重力的作用下上升，周围相对冷的流体填补到空位置 上，这样反复循环而造成热对流传导。 加热元件和两个敏感元件都是悬空的
21
无加速度输入式
有加速度输入时，活动极板绕其挠性轴 产生偏转角
C1
C1
s b
源自文库
A C1 C 2 z0
dA z 0 z
dA hdx
C2 dA z 0 z
C2
s b
z x
hdx h z 0 s b ln z 0 x z 0 s
加速度a作用时, 摆片将移动一个小位移
Gh1 Ct1 4n1 d 0 d
Gh1 Ct 2 4n1 d 0 d
2d C Ct1 Ct 2 C0 d0
26
4.2.3 用于微弱差动电容的检测方法
要测量差动电容的变化，可以将电容 值转化为电压、电流或者频率等容易 测量的物理量，其中最常用的是转换 成电压。
29
特点
极高的灵敏度 不受稳定影响
低频噪音太大
必须闭环工作
I ve
A
A x
B
a
m
硅尖
C
30
31
Au Au p++ epi Si SiO2 Nitride Ti-Pt-Au Si
32
信号检测
△a
uout 隧道效应传感器 信号检测
反馈控制
A-V转换 偏 置 电 压 电压跟随
42
检测电路
43
4.6 压电式加速度计
压电传感器是一种利用压电效应进行机 电能量转换的变换器。广泛应用于振动、 冲击的测量，是一种拾取力信号，输出 电信号的能量转换部件。常和电荷或电 压放大器一起组成测量电路,在电子产品 检验部门的振动台及其检定中起着重要 的作用。
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特点
结构简单 无法测直流（常加速度）
（2）谐振梁本身的特性有关。相应地增大两个谐 振梁刚度，提高谐振梁的固有频率，也可提高传 感器的分辨率，但梁刚度则又影响到了加速度作 用时梁的变形量，所以必须综合考虑梁的刚度影 响。
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电路设计及计算机仿真
该电路主要包括三个部分：一是谐振驱 动电路，二是频率检测电路，第三部分 为差频电路
幅值整形电路
27
4.3 隧道式微机械加速度计
由物理学可知，将尺寸很小 （10－9m）的极细探针和被 研究物质表面作为两个电极， 当它们之间非常接近（＜ 1μm）时，在外电场作用下， 电子会穿过这两个电极从一 极流向另一极，这就是隧道 效应。
28
实验发现，当这两极间距减少0.1nm，隧道电 流将增加10倍，利用这种效应可以测量加速度。 电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、 隧道探针和控制电路等部分组成。它的工作原 理是，当被测加速度使检测质量与隧道探针之 间距离发生变化时，两极间将产生巨大的电流 变化，检出这一变化信号就可测得加速度。
1 2
f 2 ' f1 ' ( f 2 f1 )
1 1 ( f 2 F2 S 2 f1 F1 S1 ) [ f 2 ( F2 S 2 ) 2 f1 ( F1 S1 ) 2 ] 2 8
35
加速度传感器的分辨率跟下列因素有关：
（1）加速度计的加工工艺。 工艺精度越高，加工 出两个谐振梁的特性可以更加接近，固有频率近 似相等，即可以大大地提高传感器输出信号的分 辨率。
温度系数较大
V0 C f q
Cf
a
m
压电材料
Vo
45
4.7 微型双轴加速度计
所谓微型双轴加速度计是能够同时测量相 互正交两个轴加速度的微型仪表。
从结构组成上可分为两类：
一类是在同一硅片上实现敏感两个轴的加速度， 最简单的做法可将结构完全相同的单自由度加 速度计相互正交的做在同一硅片上，配以相应 测量电路；
闭环控制的优点：
高精度 高线性度 增大动态范围 展宽频带
调节阻尼比
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基本设计问题——闭环控制
交流激励 直流偏置
Rf Cf
m
Vo
交流激励
直流偏置
58
详细设计、加工过程
微系统的制造技术，除包括标准的微电 子工艺外，还有微系统的特殊工艺，例 如表面加工工艺、体加工工艺、硅硅键 合和硅玻璃键合。
52
基本指标和测试
量程
分辨率 灵敏度
偏置（零位）稳定性
标度因数稳定性
交叉耦合
重复性 温度系数
53
基本设计问题——机械
质量
热运动噪声
2 aTNEA
4bkT f m2
刚度
静电力正反馈 非线性
0
K m
交叉耦合 加工误差 残余应力 热稳定性
读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大
温度系数大
＋V
a
m
－V
Vo
压敏电阻
13
典型压阻式微加速度计结构图
14
压阻式微加速度传感器温度补偿电路设计
零点温度补偿
15
u (1 R4 / R1 )[R3 /( R2 R3 )]U1 ( R4 / R1 )U 0
漂移电压源灵敏度温度补偿
54
基本设计问题——电路
压阻效应
热噪声与电阻值成正比
电容效应
寄生电容 低阻放大器 高阻放大器 开关电容放大器
Rf Cf
55
基本设计问题——电路
前置放大器的噪声和漂移是最主要的误 差源
差动检测可有效的减小甚至消除一些误 差 数字化 集成
56
基本设计问题——闭环控制
16
1.2 电容式加速度计
特点
敏感器件制作简单
不受温度影响 读出电路复杂 易受寄生参数影响 非线性
电极
a
m
解调
Vo
17
电容式传感器需掌握的几个公式
A C ε z0
1 u F A 2 2 d
2
18
1.2.1 平板电容式加速度计
当无加速度输入时， 检测质量处于中间 位置，上下极板与 活动极板的间隙均 为。此时，极板间 电容量C1和C2相等， 即