MEMS微陀螺技术综述
MEMS陀螺仪概况介绍
1、微机械陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪利用科里奥利力(Coriolis force，又称为科氏力)现象。
科氏力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。
科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。
2、微机械陀螺仪的性能参数MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率(Resolution)、零角速度输出(零位输出)、灵敏度(Sensitivity)和测量范围。
这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。
分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。
这三个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。
对使用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。
测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。
不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。
3、微机械陀螺仪的结构MEMS陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是主要都采用振动部件传感角速度的概念。
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。
图3所示为振动陀螺的动力学系统的简单结构示意图。
该系统为2-D的振动系统，有两个正交的振动模态。
其中一个振动模态为质量块在x 方向振动，振动频率为。
另一个振动模态为质量块在y方向振动，振动频率为。
与的值比较接近。
工作时，驱动质量块使之在x轴上以接近于的频率(驱动频率)振动，如果振动系统以角速度绕Z轴转动，则会产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，从而使得质量块在Y轴方向上产生频率为的振动响应，通过测试Y轴方向的运动就能完成角速度的检测。
一般的MEMS陀螺仪由梳齿结构的驱动部分(图4)和电容板形状的传感部分(图5)组成，基本结构如图6所示。
微机械陀螺简述,微惯性技术
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。
LOGO
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。
LOGO
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：
MEMS陀螺仪的原理与应用优势分析
MEMS陀螺仪的原理与应用优势分析MEMS陀螺仪（Micro-Electro-Mechanical Systems gyroscope）是一种利用微机电系统技术制造的陀螺仪。
它基于微机电系统（MEMS）的原理，采用微型的加速度传感器和补偿器，用于测量和检测设备的角速度和方向变化。
下面将对MEMS陀螺仪的原理和应用优势进行详细分析。
MEMS陀螺仪的原理主要基于角动量守恒定律。
当一个物体绕一个固定点旋转时，其角动量保持不变。
因此，MEMS陀螺仪通过测量和检测旋转物体围绕固定点的角动量变化来确定其角速度和方向。
在MEMS陀螺仪中，有两个主要的工作原理：电容效应和表面波效应。
首先，电容效应原理是利用固定的电容和可移动电容之间旋转的部分引起的电容变化来测量角速度。
这种原理利用了微机电系统中的微小工作间隙和电容结构，当设备旋转时，旋转的部分会引起电容间距的变化，从而产生电容变化，进而通过电路将电容变化转换为电压变化，最终测量出角速度。
其次，表面波效应原理是利用固定的波导和通过旋转感应器引起的表面波频率变化来测量角速度。
MEMS陀螺仪将固定波导和可旋转感应器相互排列，波导的表面波频率与波导材料和尺寸相关，而旋转感应器的旋转将改变波导的尺寸，进而影响表面波频率。
因此，通过测量表面波频率的变化，可以获取设备的角速度和方向信息。
MEMS陀螺仪具有许多应用优势。
首先，它具有小型化和集成化的特点。
MEMS陀螺仪利用微机电系统技术制造，可以实现微型化和集成化，从而在体积和重量上具有明显的优势。
这使得MEMS陀螺仪可以广泛应用于移动设备、汽车电子、航空航天等领域，提高产品的性能和可靠性。
其次，MEMS陀螺仪具有高精度和高灵敏度。
由于MEMS陀螺仪基于微型加速度传感器和补偿器，可以实现高精度的角速度测量和方向检测。
这使得MEMS陀螺仪在导航系统、姿态控制和稳定系统等方面具有重要应用，可以提供精确的角度信息。
此外，MEMS陀螺仪具有低功耗和低成本的特点。
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。
MEMS陀螺仪发展综述和技术研究
MEMS陀螺仪发展综述和技术研究随着科技的进步和应用领域的拓展，MEMS陀螺仪（Micro-Electro-Mechanical Systems Gyroscope）作为一种集成化、微型化的惯性传感器，在导航、飞行控制、智能手机等众多领域得到广泛应用。
本文将对MEMS陀螺仪的发展历程进行综述，并介绍当前的技术研究方向。
MEMS陀螺仪是一种基于微机电系统技术制作的陀螺仪。
它采用了微纳加工技术，将传统陀螺仪的结构缩小到微米尺寸，并采用微电子技术将其与电子设备集成在一起。
早期的MEMS陀螺仪主要用于惯性导航系统中的姿态测量，但由于其体积小、成本低和低功耗等优势，被广泛用于智能手机、游戏手柄和运动追踪等消费类电子产品中。
MEMS陀螺仪的研究始于20世纪80年代，在此之后经历了几个重要的发展阶段。
最初的MEMS陀螺仪采用了压电效应来测量转动速度，并通过微机电系统制作的微结构来实现传感器结构。
这种陀螺仪具有简单结构和较高的灵敏度，但在测量范围、动态响应和耐久性方面存在一定的局限性。
进入21世纪后，MEMS陀螺仪开始采用新的结构和材料来提高性能。
例如，光纤陀螺仪（FOG）和激光陀螺仪（LIG）等技术被引入到MEMS陀螺仪中，提高了其测量精度和稳定性。
此外，利用新的材料和制造工艺，如纳米材料、纳米加工技术和三维打印技术等，也为MEMS陀螺仪的发展提供了新的可能性。
当前，MEMS陀螺仪的技术研究主要集中在以下几个方向：1.提高精度和稳定性：通过改进传感器的结构和材料，以及优化电路设计和信号处理算法，提高MEMS陀螺仪的精度和稳定性。
例如，引入微纳米加工技术制作更精细的结构，采用优化的校准方法和自适应滤波算法等。
2.扩大测量范围和动态响应：目前的MEMS陀螺仪通常具有较小的测量范围和有限的动态响应能力。
因此，研究人员正在努力开发新的结构和方法来扩大其测量范围和提高动态响应能力。
其中一种可行的方法是将多个陀螺仪互补使用，以提高测量范围和精度。
MEMS陀螺仪精讲
感谢观看！
仪和低精度陀螺仪。MEMS陀螺仪虽然应用前景 广，但目前仍属于低精度陀螺仪，随机漂移误差 较大。超高精度陀螺仪主要包括静电陀螺、磁浮 陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电 陀螺仪。
MEMS陀螺仪的应用进展史
1.MEMS陀螺仪的第一波应用是1990年月的汽车安 全系统
2.MEMS陀螺仪其次波应用是始于2023年的消费电 子产品
3.MEMS陀螺仪的第三波应用将开头消逝在医疗、工 业器械等领域
MEMS陀螺仪的军事应用优势
在现今的世界格局中，战斗以 MEMS陀螺仪能够供给准确的方位， 信息化战斗的对抗为主,重点 位置，速度，加速度等信息，并可 是进展准确制导武器，MEMS陀 应用在战术，智能炮弹，新概念武 螺仪在其中发挥了重要作用。 器，空间飞行器，自主式潜艇导航
易于数字化和智能化
易于数字化和智能化 由于传统陀螺仪本钱高、体积大、构造脆弱，在
机械架构或价格考虑上，无法适用于消费性电 子产品的主流市场，但目前MEMS陀螺仪产品 尺寸已缩小到mm级，成功应用于手机、MID、 手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中。事 实上，用硅材料制的MEMS陀螺仪不仅实现了 微型化，而且由于硅的微加工技术与集成工艺 技术的相容性，可以将敏感器件与处理电路完 全集成在一个硅片上，从而实现了陀螺仪真正 意义上的机电一体化。
科里奥效应
• MEMS陀螺仪利用科里奥效应测量运动物体的角速 率，依据科里奥效应,当一个物体(m)沿方向运动 且施加角旋转速率时，该物体将受到一个科里奥 利力。法国物理学家科里奥利于1835年第一次具 体地争论 了这种现象，因此这种现象称为“科里 奥利效应”。有时把它称为“科里奥利力”，但 它并不真是一种力；它只不过是惯性的结果。
mems陀螺工艺技术
mems陀螺工艺技术MEMS陀螺是一种将微机电系统（MEMS）技术应用到陀螺仪制造中的新型产品。
陀螺是一种能够测量和检测转动角速度的装置，而MEMS陀螺则是利用微小尺寸的MEMS器件制造而成的。
MEMS陀螺的制造工艺技术主要包括以下几个步骤：首先，制造MEMS陀螺的第一步是设计和制作探测器。
这个步骤通常使用光刻技术，通过在玻璃或硅片上进行图案设计，并使用掩膜将图案转移到片上。
然后，在制作好的图案上使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）技术将金属或氧化物材料沉积到基底上，形成探测器的结构。
其次，制造MEMS陀螺的第二步是制作驱动器。
驱动器通常是由多个电极和悬浮结构组成的。
这个步骤主要依赖于光刻技术和选择性腐蚀技术。
通过光刻技术将驱动器的图案设计在玻璃或硅片上，并使用掩膜将图案转移到片上。
然后，使用选择性腐蚀技术将不需要的部分材料腐蚀掉，形成驱动器的结构。
接下来，将探测器和驱动器组装在一起。
这个步骤需要使用微焊接或其他专用技术将两个部件精确地连接在一起，使其能够相互作用和运动。
最后，对制造好的MEMS陀螺进行封装和测试。
封装是将制造好的陀螺组件放置在密封的包装中，以保护其免受外部环境的干扰。
然后，对陀螺进行各种测试，包括性能测试、稳定性测试和可靠性测试等，以确保其符合设计要求。
总的来说，MEMS陀螺的制造工艺技术是一个复杂的过程。
它需要使用多种微纳米加工技术，如光刻、化学气相沉积、物理气相沉积、选择性腐蚀和微焊接等。
通过这些技术的组合应用，制造出微小尺寸、高灵敏度和高稳定性的MEMS陀螺产品。
这些产品在航空航天、导航仪器、惯性导航系统等领域具有广泛的应用前景。
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究MEMS陀螺仪是一个基于微机电系统（MEMS）技术的传感器，用于测量和检测物体的转动或转动速度。
它具有体积小、重量轻、功耗低、精度高等优点，广泛应用于惯性导航、姿态控制、无人机、智能手机以及虚拟现实等领域。
MEMS陀螺仪的发展可以追溯到20世纪60年代，当时最早的陀螺仪是由机械零件构成的大型设备，体积庞大、制造成本高。
随着MEMS技术的发展，研究者开始尝试将陀螺仪制造成微型化的晶片，以满足更小型化、更便携的应用需求。
在20世纪90年代，研究者们成功地将MEMS陀螺仪制造成了微小的晶片，采用了表面微加工技术以及集成电路制造工艺。
这样的设计使得陀螺仪能够迅速地发展，并广泛应用于各个领域。
目前市场上的MEMS陀螺仪大多是基于表面微加工技术和压电效应制作的。
在技术方面，MEMS陀螺仪主要有两种原理，分别是压电陀螺仪和振动陀螺仪。
压电陀螺仪是利用压电效应来测量转动速度的，当陀螺仪旋转时，产生的角速度会导致陀螺片产生弯曲，进而改变电极之间的电容值，从而测量出角速度。
振动陀螺仪则是通过测量旋转物体在转动时产生的惯性力来获得转动信息的。
同时，MEMS陀螺仪的精度也得到了大幅提高。
随着微加工工艺的进步和传感器设计的改良，MEMS陀螺仪的噪声水平得到了显著降低，从而提高了测量精度。
此外，MEMS陀螺仪的应用领域不断拓展。
除了传统的航天、导航等领域外，MEMS陀螺仪还被广泛应用于智能手机、游戏手柄、运动追踪设备等消费电子产品中。
MEMS陀螺仪在这些领域中发挥着关键的作用，如智能手机中的姿态控制、游戏手柄中的运动感应等。
尽管MEMS陀螺仪已经取得了重大的进展，但仍面临一些挑战。
其中之一是温度漂移的问题，即在不同温度下，陀螺仪的测量结果可能会有所偏差。
另外，MEMS陀螺仪在高加速度、高震动环境下的稳定性也需要进一步提高。
综上所述，MEMS陀螺仪在技术发展和应用拓展方面取得了显著的进展。
随着对陀螺仪应用场景要求的不断提升，人们对MEMS陀螺仪的研究和改进将继续进行，以满足更广泛的应用需求。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
北大
清华 复旦
谐振式
角振动 双质量块 电容驱动 双质量块 电磁驱动 谐振式
电容检测
电容检测 压阻检测
22mv/°/s
1.9mV/°/s 电桥输出 0.22μV/°/s 9.8mV/°/s
/ /
67 / h / Hz
中科院 中北大学
电容检测 电容检测
0.7mV/°/s
从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如下：
美国Michigan大学
日本Murata Mfg.Co
土耳其安卡拉中东科技大学
谐振方向
折叠弹性梁 加速度 传感器 柯氏力方向 加速度 传感器 质量块 电流 回路 加速度传 感器键合 电流 回路
谐振方向
芬兰赫尔辛基工业大学
德国Bosch公司
国外微机械陀螺的特点与性能指标[4-9]
单位
美国 Michigan大学Fra bibliotek各种原理的陀螺仪
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。转子 式的MEMS陀螺较为少见， 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。 目前，MEMS陀螺仪 基本都是振动式的[3]。
体积微小的微机械陀螺
1、机械结构：圆环、独立梁、框架、双质量块
2、驱动方式：电容驱动的多 3、检测方式：电容检测的多 4、使用的材料：都是Si基，灵敏度mV级
许多市场调查包括 SRI，NEXUS， System Planning 公司， SEMI 等一致 认 为 mems 陀 螺 仪 市 场 将 每 年 以 15%~25%的年增长率增长。现代工 业控制、航空航天、军用技术不可能 离开惯性传感器；汽车，消费品和娱 乐市场也开始依赖这些设备[17]。
ω
V
ac
*
y
ω
x
V
ac
假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用 右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简 谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用 这一原理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿 效应检测的微机械陀螺结构[19]）。
*
一种电磁驱动压阻检测式的MEMS陀螺仪驱动及检测原理
高精度、低成本、微型化、 低功耗、多轴向高稳定性依然是微 机械陀螺的技术追求，随着多传感 器系统集成技术的发展，兼有陀螺 仪功能的智能集成传感器系统将是 MEMS陀螺的重要发展方向[18]。
*
MEMS陀螺仪基本原理 MEMS陀螺仪分类及基本结构
*
微机械陀螺的基本原理是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。 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
MEMS陀螺仪研究背景
MEMS陀螺仪原理与器件
MEMS陀螺仪设计与制造
MEMS陀螺仪测试及应用
小结及体会
*
MEMS陀螺仪基本概念 MEMS陀螺仪研究历史及发展现状 MEMS陀螺仪发展趋势
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。 它在运输系统，例如， 导航、刹车调节控制盒加 速度测量等方面有很多应 用。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]。 微机械陀螺仪是高新 技术产物，具有体积小、 功耗低多种优势，在民用 消费领域和现代国防领域 具有广泛的应用前景[2] 。
/
电容检测
/
芬兰
赫尔辛基工业大学 德国Bosch公司
框架式
角振动 双质量块 电磁驱动
电容检测
151 / h / Hz
电容检测
量程为100º/s
* 北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所
研制的的微机械陀螺结构[10-15]
国内微机械陀螺的特点与性能指标[10-15]
单位 结构特点 检测机理 灵敏度 噪声/漂移
结构特点
振动环式
检测机理
电容检测
灵敏度/分辨率
25Hz带宽下 分辨率0.5°/s
噪声/漂移
7.2°/h
日本
Murata Mfg.Co 土耳其安卡拉中东 科技大学
独立梁式
电容驱动 电容驱动 3mm×3mm
电容检测
25Hz带宽下
分辨率0.07/s 真空24mV/º/s 大气100μ V/º/s 信噪比51.6dB 18mV/°/s
旋转振动结构
按振动结构 微 机 械 陀 螺 分 类 线性振动结构 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 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
硅材料
按材料
单晶硅 多晶硅 石英 其它
非硅材料 体微机械加工 表面微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
微机械陀螺的研究始于 20世纪80年代，经过几十年 的研究国外相关已经比较成熟，众多科研单位及公司如 美 国 Draper 实 验 室 、 ADI 公 司 、 Berkeley 大 学 ， 德 国 Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及 土耳其、芬兰等国家[4-9]，已有商业化产品。 我国的MEMS 技术研究工作起步较晚，但正积极开 展研究，国家已经投入巨资用于 MEMS 陀螺技术的研究。 目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微系统 所、复旦大学、哈工大等多家单位[10-15] ，经过十多年的 努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究 已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较 大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。
信号源 功率放大电路 电压/电流转化 陀螺
开环电磁驱动电路原理框图
反馈信号
放大电路
高通滤波
低通滤波
驱动反馈检测电路原理框图
稳压 电源 惠斯通电 桥电路 放大 电路 解调 电路 滤波 电路
驱动 信号
跟随 电路
移相 电路
输出 信号
敏感器件检测电路原理框图
*
微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构， 材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式[2]。
按加工方式
*
微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构， 材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。
旋转振动结构
按振动结构 微 机 械 陀 螺 分 类 线性振动结构 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 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