微机械振动轮式陀螺
微机械陀螺仪的国内外发展概述

微机械陀螺仪的国内外发展概述学号:07060441x28 姓名:摘要:陀螺仪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的应用。
微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种,现在工业控制、航空航天、军用技术都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。
许多市场调查一致认为微机械传感器市场将以每年15%-25%的年增长率增长。
微机械陀螺仪的性能指标在很短的十几年内得到了迅速提高,目前正由速率级向战术级精度迈进。
根据随机游走系数定义陀螺仪的性能指标,体微机械和表面微机械陀螺仪的性能在每2年便以10倍的速度得到提高,表面微机械陀螺仪和体微机械陀螺仪的性能的差距也越来越小。
也正是由于微机械陀螺仪的广泛应用,使得世界各国都致力于对陀螺仪的研究和发展。
正文:一、微机械陀螺仪的分类简介及用途。
陀螺是首先在火箭上得到应用的,开始于二战期间德国的V2火箭。
从此,陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来,冷战时期精度上快速提高,功能上有很大扩展。
不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用,而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。
在军事应用的牵引下,惯性仪表精度大幅提高的同时,相关的制造工艺越来越复杂,生产周期长,成本很高,价格昂贵,令民用部门望而却步。
即使在军用方面,由于陀螺仪转子的高速旋转和惯性测量系统的复杂性,在可靠性、安全性、兼容性、寿命以及体积重量等方面也暴露出某些固有的弱点。
凡此种种,促使科技人员去思考和探索新的测量工具和测量方式,以替代传统的机械转子式的陀螺仪。
因而,各种各样的新型陀螺仪和加速度计相继研制出来并成功地获得应用。
微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种:(1)振动式微机械陀螺仪。
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。
微机械陀螺仪[实用新型专利]
![微机械陀螺仪[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a46b1dc96394dd88d0d233d4b14e852458fb398a.png)
专利名称:微机械陀螺仪
专利类型:实用新型专利
发明人:阚枭,马昭,杨珊,占瞻,彭宏韬,李杨,陈秋玉,洪燕,黎家健
申请号:CN202122423251.9
申请日:20211008
公开号:CN216791219U
公开日:
20220621
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型提供了一种微机械陀螺仪,包括基底、锚点、6个振动结构、面内换能器、以及面外换能器,基底上具有中心点,6个振动结构绕中心点均匀分布,每一振动结构包含N个质量块,微机械陀螺仪还包括设置于相邻两个质量块之间的第一耦合梁,以使多个质量块运动关联。
微机械陀螺仪工作在两个振动模态中,两个体振动模态包括工作在第一模态下的驱动模态,以及工作在第二模态下的检测模态,两个振动模态可相互互换。
每一振动结构中各质量块的振动模态均相同,在第一模态下,相邻两个所述振动结构的运动方向沿径向相反;在第二模态下,振动结构沿垂直于基底的方向运动。
本实用新型的微机械陀螺仪可以提高芯片面积的使用率,从而提高检测灵敏度。
申请人:瑞声开泰科技(武汉)有限公司,瑞声声学科技(深圳)有限公司
地址:430200 湖北省武汉市光谷三路777号武汉东湖综合保税区A塔楼
国籍:CN
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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。
关于微陀螺仪的原理及应用

关于微陀螺仪的原理及应用1. 简介微陀螺仪是一种用于测量和检测角速度和角位置的微型惯性传感器。
它基于陀螺效应原理,利用微电子加工和微机电系统(MEMS)技术制造而成。
微陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低、响应速度快等特点,广泛应用于航空航天、导航仪器、车载系统、智能手机等领域。
2. 原理微陀螺仪的工作原理基于陀螺效应,即当一个物体在转动时,会产生一个力矩,使物体保持转动。
微陀螺仪利用这一原理来测量角速度和角位置。
微陀螺仪通常由两个相互垂直的振荡器构成,一个用于测量x轴角速度,另一个用于测量y轴角速度。
当微陀螺仪受到外界作用力或角速度时,振荡器会产生微小的振荡,其振荡的频率与外界作用力或角速度成正比。
微陀螺仪会通过测量这些振荡器的频率变化来计算角速度和角位置。
3. 应用微陀螺仪具有广泛的应用前景,在许多领域发挥重要作用。
以下是一些常见的应用领域:3.1 导航与定位微陀螺仪在导航与定位系统中有着广泛的应用。
例如,无人机、导弹等需要精确控制姿态的设备中,微陀螺仪可以通过测量姿态角速度和角位置来实现精确的飞行控制。
同时,在车载导航系统中,微陀螺仪可以用来检测车辆的转弯动作,从而提供更准确的导航信息。
3.2 智能手机和可穿戴设备微陀螺仪被广泛应用于智能手机和可穿戴设备中。
智能手机中的陀螺仪可以检测和监测设备的姿态、方向和运动状态,为用户提供更加智能化和沉浸式的交互体验。
同时,可穿戴设备中的陀螺仪可以用来监测用户的运动和活动状态,实现计步、睡眠监测等功能。
3.3 航空航天微陀螺仪在航空航天领域有着广泛的应用。
例如,航天器中的姿态控制系统通常需要使用微陀螺仪来实现姿态的测量和控制。
此外,微陀螺仪还可以用于飞机的导航和飞行控制系统中,提供准确的飞行姿态和位置信息。
3.4 其他领域除了上述应用领域之外,微陀螺仪还被应用于许多其他领域。
例如,在运动仪器中,微陀螺仪可以检测运动设备的角速度和角位置,为用户提供准确的运动数据。
几种新型陀螺简介

几种新型陀螺简介何传五北京控制工程研究所,北京100080摘 要 随着航空航天技术的发展,对惯性测量装置提出了更多的要求。
利用不同原理研制成的陀螺在各种领域均有不同应用。
本文仅就微机械陀螺、半球谐振陀螺、挠性陀螺、光纤陀螺的原理、结构及特性作一简介。
主题词 陀螺仪 3微机械陀螺 3半球谐振陀螺 动力调谐陀螺仪 纤维光学陀螺仪Brief I ntroduction to Several G yrosHe ChuanwuBeijing Institute of C ontrol Engineering,Beijing100080Abstract More and more requirements for the inertial measurement units are presented withdovelopment o f the aerospace technology.Several gyros developed by different concepts are po-ssessed o f different application areas in aerospace.In the paper the operating principle,struc2ture and characteistics only for micromechanical gyro,hemispherical resonator gyro,dynami2cally tuned gyro and fiber2optic gyro are introduced briefly.Subject terms Gyroscope 3Micromechamical gyro 3Hemispherical resonator gyroDynamically tuned gyro Fiber optic gyroscope1 微机械陀螺微机械陀螺是微电子与微机械组结合的微型振动陀螺。
降低振动环式微机械陀螺同频干扰的方法研究

量和刚度 的不对称 , 使得 激励 模态 的实际振 动轴 向与理想 轴 向 存在 偏差 , 引起 由激励力产生 刚度分量和阻尼分量 的同频干扰 , 导致检测 信号的信噪 比下降 。因此 , 到降低 同频干 扰 的有 效 找
维普资讯
・
4・
《 测控技 术> 0 8年第 2 第 7期 >0 2 7卷
降 低振 动 环 式微 机械 陀 螺 同频 干 扰 的 方 法 研 究
韩 磊 ,李守荣 ,王军波 ,陈 李 ,陈德 勇
10 8 ) 0 0 0 (. 1 华北 电力大学 电气与电子工程学院 , 北京 120 ; .中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室 , 026 2 北京
8根支撑梁 固定 , 匀强 磁场垂 直环面 穿过 。振动 环对称性 好 , 陀
螺 工作 时激励模态 和检测模 态频 率在 理想情 况下完 全相 同 , 并 且振 型在同一平面上 , 样陀 螺在大气 条件 下工作 时也 能保证 这 激励模态 和检测模态 的阻尼相 同, 使得两模态谐振频 率相 等 , 因 此可获得较 高的检测灵敏度 。
 ̄ q e c ne fr n e o e s n o , h c e u e h in ln i a i . y a c a ay i wa s d t n u h h s e ai n e u n y i tree c ft e s r w ih r d c st e sg a o s rt D n mi n ss su e o f d o tt ep a e rl t - h e o l i o
Ab ta t Ma u a t r g d fc so MS p o e s c u e s mme r o sr cu e fvb ai g r g g r s o y tu t e u t n c - sr c : n f cu n ee t fME r c s a s sa y i t c t tu t r so i rtn n y o c p , h si r s l i o i i s
电磁驱动电容式振动微机械陀螺接口电路研究
电磁驱动电容式振动微机械陀螺接口电路研究作者:肖怀国来源:《数字化用户》2013年第28期微机械陀螺具有广阔的发展和应用前景。
在军事上,它可用于战术导弹和智能炸弹的制导、微型卫星和无人机等的姿态控制。
在民用方面,它可用于汽车的自动驾驶和安全防护系统以及工业机器人、大地测量、石油钻探、矿山开采、隧道工程、海洋开发等的定位定向系统。
陀螺发展至今,人们已经研制出多种不同形式的陀螺,有转子式陀螺、光学陀螺和振动式陀螺等。
微机械陀螺从形式上属于振动式陀螺,它是采用微电子和微机械加工技术来制作的。
在加工方法以及器件特性等方面,微机械陀螺都有别于转子式陀螺和光学陀螺等,它主要应用于对测量精度要求不高的场合。
一、陀螺接口电路工作原理(一)陀螺驱动电路的工作原理本文所讨论的陀螺采用电磁驱动,其原理是在陀螺周围设置一条由一块具有很强磁性的永久磁铁构成的磁路,这一磁路在垂直于陀螺驱动振动方向产生一个稳定的静磁场,在驱动质量块振动的一个小的区域,这一磁场可以认为是均匀的。
在驱动质量块上采用蒸铝的办法制作一条驱动导线,那么当在驱动导线上加一个驱动电流时,驱动导线将会受到洛伦兹力的作用。
由于驱动导线是采用蒸铝的方法在驱动质量块上制作的,所以驱动导线和驱动质量块是一体的。
下图为驱动电路工作原理图(二)陀螺检测电路的工作原理本文所讨论的陀螺的检测方式为电容检测。
电容检测方法有很多种,比如开关电容检测法、充放电流法、电容频率转换方法、电容相位检测方法、D-S法、A-D转换法、PWM法等等;由于陀螺检测电容的一些特殊性质,首先需要测量的是简谐变化电容的幅度,并且这个幅度很小,电容变化的幅度大约是静态电容的几千分之一,静态时检测电容的大小大约为5 pF,需要检测的电容幅度大约为10aF,这么微小的电容变化用以上的方法很难实现;而且,由于陀螺驱动信号对检测电极的耦合,耦合的信号与检测电容变化的频率相同,两个信号难以区分。
所以,在检测电容的电路中采用了载波调制方法测量电容,把电容的变化转化成高频信号的幅度变化;这种方法可以去除陀螺驱动信号对检测电极耦合的低频信号,而且通过对高频信号的同步检波可以检测微小电容变化。
微机械振动陀螺隔离耦合的结构设计
第22卷 第4期华侨大学学报(自然科学版)V ol .22 N o .4 2001年10月Journal of H uaqi ao U ni versi t y (N atural Sci ence)O ct.2001 文章编号 1000-5013(2001)04-0380-05微机械振动陀螺隔离耦合的结构设计李 文 望(鹭江大学机械系,厦门361005)摘要 微机械振动陀螺是新型的惯性元件.其误差源主要有微机械结构的B row ni an 噪声、电路噪声、机械耦合误差,以及电子机械耦合误差等.这些误差严重影响着陀螺仪的精度.由于制造误差等引起的机械耦合误差,可以通过改善陀螺仪的结构来减小耦合误差.文中从结构设计方面,提出单级隔离耦合和双级隔离耦合的结构方案,有效减小机械耦合误差,提高了精度.关键词 微陀螺,机械耦合误差,隔离耦合中图分类号 T H 824+.301文献标识码 A微机械振动陀螺,是一类难度较大的微机电系统(M E M S ).这种新型陀螺仪具有体积小、重量轻、可靠性高、抗冲击、易于数字化和智能化等一系列优点.提高机械振动陀螺的精度、图1 振动陀螺集中参数模型灵敏度和降低费用,是研究的重点.1 机械振动陀螺仪的工作原理及机械耦合原理1.1 机械振动陀螺仪的工作原理〔1,2〕微机械振动陀螺可以简化为质量-弹簧-阻尼集中参数系统.它一般由振动质量和梁组成,振动质量可以在两个正交方向自由振动.图1是振动陀螺的集中参数模型.当质量块受到外力的作用沿x 轴方向振动,且整个模型在基座带动下以角速度为Ω旋转时,质量块会受到沿y 轴方向的哥氏惯性力的作用,从而使质量块沿y 轴方向振动.两个方向的运动方程分别为m x +c x x +k x x =F 0sin ωt ,(1)m y +c y y -2m Ωx +k y y =0,(2)m 代表质量,c x ,c y 分别表示x ,y 方向的粘性阻尼,k x ,k y 分别表示x ,y 方向的弹簧刚度.当质 收稿日期 2001-07-04 作者简介 李文望(1962-),男,讲师基金项目 福建省自然科学基金资助项目;厦门大学自选课题科研基金资助项目量块以其固有频率振动时,由式(1)和(2)可得x (t )=-x m cosωx t ,y (t )=2m Ωωx x m k y ·si n (ωx t -φ){1-(ωx /ωy )2}2+(ωx /ωy )2,其中x m =F 0Q x k x ,φ=t an -1λQ y (1-λ2),λ=ωx ωy ,Q x =m ωx c x ,Q y =m ωy c y .1.2 机械耦合原理〔1〕微机械振动陀螺的质量块和梁由于存在制造误差,一般不能完全对称.因此,驱动振动的能量会传递给y 方向,导致两个方向振动的耦合.这种耦合取决于驱动振动的振幅和速率,其运动方程分别为m x +(c x -c c )x +c c y +(k x -k c )x +k c y =F 0si nωt ,my +(c y -c c )y +(c c -2m Ω)x +(k y -k c )y +k c x =0,其中k x 和c c 分别为振幅和速率的耦合系数.当c c 很小,且Ω=0时,其运动方程为mx +c x x +(k x -k c )x =F 0sinωt ,m y +c y y +k y y +k c x =0.这里,c c =0,x y ,k x k c ,且Ω=0.当质量块以其固有频率振动时,方程的解为x (t )=-x m cosωx t ,y (t )=-(k c x m /k y )·si n (ωx t -φ)/{[1-(ωx /ωy )2]2+(ωx /Q y ωy )2}.图2 耦合运动轨迹当φ=0(或180°)时,质量块沿着与x 轴成一个角度作直线运动,如图2(a)所示〔3〕.另一方面,当k c很小且Ω=0时,其运动方程为m x +c x -c c )x +k x x =F 0sin ωt ,m y +c y y +c c x +k y y =0.这里,k c =0,x y ,c x ,c y c c ,且Ω=0.当质量块以其固有频率振动时,方程的解为x (t )=-x m cosωx t ,y (t )=(c c Ωx x m /k y )·cos(ωx t -φ){1-(ωx /ωy )2}2+(ωx /Q y ωy )2.当φ=0(或180°)时,质量块的运动轨迹为椭圆,如图2(b)所示〔3〕.分析结果表明,对于微机械振动陀螺,机械耦合的类型可以通过质量块的振动形式来确定.2 隔离耦合的微机械振动陀螺的结构设计以梳状驱动平板式振动陀螺为例,对隔离耦合的微机械振动陀螺的结构设计进行分析.图3所示是结构简单的、没有隔离耦合的梳状驱动平板式振动陀螺.带有梳状电极的长方体多晶硅平板,通过挠性支臂与单晶硅底座相连,并被支悬在底座的上方.当在固定的梳状电极上施183第4期 李文望:微机械振动陀螺隔离耦合的结构设计图3 梳状驱动平板式振动陀螺加带有直流偏置,但相位相差180°的交流电压时,将产生沿驱动轴交变的静电驱动力,从而引(a )驱动模态振动形式 (b )检测模态振动形式图4 没有隔离耦合的振动模态起平板沿驱动轴作交变的线振动.当壳体绕输入轴以角速度Ω相对对惯性空间转动时,将形成沿输出轴交变的哥氏惯性力.由此引起平板沿输出轴作线振动,且振幅与输入角速度Ω成正比.此振幅可由平板与底座之间的电容的变化检测,其驱动模态和检测模态的振动形式,如图4所示〔4〕.2.1 单级隔离耦合的结构设计单级隔离耦合的梳状驱动平板式振动陀螺的结构,如图5所示.它的特点是驱动部分和检测部分有各自独立的梁,振动质量通过4条梁(内梁)支撑与支悬在底座上方的框架连接.其它结构与没有隔离耦合的梳状驱动平板式振动陀螺一样.陀螺仪工图5 单级隔离耦合结构作时,对于驱动的振动形式,外梁沿着x 方向弯曲,而内梁不会产生变形.对于检测的振动形283 华侨大学学报(自然科学版) 2001年式,内梁沿着y 方向弯曲,外梁不会产生变形.这表明了外梁和内梁各自对y 和x 方向有很好的刚度,它们在两种振动形式中有各自的独立性.由于驱动的振动形式对检测部分的梁没有影响,所以它们之间的机械耦合就很弱.单级隔离耦合的梳状驱动平板式振动陀螺驱动模态和检测模态的振动形式,如图6所示.图6 隔离耦合的振动模态2.2 双级隔离耦合的结构设计经过对单级隔离耦合的梳状驱动平板式振动陀螺的分析可以看出,检测模态的质量运动有两个自由度.这样固联在振动质量的检测电极反映了两个方向的运动,从而存在着另一个误差源.为了解决这个问题,可以采用双级隔离耦合,其结构如图7所示〔2〕.当陀螺仪工作图7 双级隔离耦合结构383第4期 李文望:微机械振动陀螺隔离耦合的结构设计时,振动质量一方面随驱动力的交变沿着x 方向振动,另一方面在哥氏惯性力的作用下沿着y 方向.右边的检测部分单独支悬在底座上,通过梁5和梁4与振动质量相连,使得检测部分只有沿着y 方向的振动,隔离了x 方向的振动.3 结束语采用隔离耦合的设计,可以大大降低由于制造误差使结构不对称引起的藕合.同时,还可以降低检测模态的振动影响梳状驱动电极间的电场对称,降低“悬浮效应”.这样,可大幅度提高陀螺仪的精度.参 考 文 献1 M ochi da Y ,T am ura M .A m i crom achi ned vi brati ng rat e gyroscope w i th i ndependent beam f or t he dri veand detect i on m odes[J].Sensors and A ct uators,2000,(80):170~1782 K aw ai H ,A t suchi K I ,T am ura M .H i gh -resol ut i on m i crogyroscope usi ng vi bratory m oti on adj ust m entt echnol ogy [J ].Sensors and A ctuators ,2001,(90):153~1593 G ei ger W ,F ol km er B.N ew desi gns m i crom achi ned vi brati ng rat e gyroscope w i th decoupl ed osci l l ati onm odes [J ].Sensors and A ct uators ,1998,(66):118~1244 阮爱武.硅微机械陀螺仪的新进展及其方案分析[J].中国惯性技术学报,1998,6(2):67~72S tru ctu ral D esig n o f S pac er C o u pling fo r a M icro m achinedV ib rating G y ro sc o peL iW enw ang(D ept.of M ech.E ng.,L uj ang C ol l ege,361005,X i am en)A bstrac t M i crom achi ned vi brati ng gyroscope i s a new type i nert i al com ponent.I ts error source i ncl udesB row ni an noi se ,ci rcui t noi se ,error of m echani cal coupl i ng ,and error of el ectro -m echani cal coupl i ng of m i cro-m achi ned st ruct ure.T hese errors seri ousl y aff ect the preci si on of gyroscope.A m ong them ,the error of m e-chani cal coupl i ng ,w hi ch com es from structural unsym m etry due t o m enuf acturi ng error ,can be reduced by i m provi ng structure of gyroscope.F rom structuraldesi gn,t he author proposes structural pl an of si ngl e spac-er coupl i ng and doubl e spacer coupl i ng .B y w hi ch the error of m echani cal coupl i ng can be ef f ecti vel y reduced and the preci si on can be i m proved .Key w ords m i crogyroscope,error of m echani cal coupl i ng,spacer coupl i ng 483 华侨大学学报(自然科学版) 2001年。
微机械振动陀螺仪闭环驱动电路分析与设计
为了提高微机械振动陀螺仪输出信号 的灵敏度 , 通常要求驱动电压的频率与陀螺仪驱动模态的谐振频 率 相一 致 。驱动 电路 有 开 环 、 闭环 两种 方 式 。采 用 开 环驱动 方式 , 存在 两 个 问题 : 是 由于加 工工 艺和 加工 一 误 差 的影 响 , 同一 设 计 结 构 、 一 硅 片 上 制 作 的 陀 螺 同 仪, 其驱动模态的谐振频率各不相同, 对一批陀螺必须 通过扫频方式逐一进行谐振频率 的测量 , 确定驱动 来 电压 的频率 ; 二是 对 于某一 特定 陀螺 仪 , 温度 和气 压变 化 及器 件老化 等原 因都会 引起其 驱 动模 态 的谐振 频率 发 生变 化 。尽管频 率 变 化 可 能 较 小 , 由于 陀螺 仪 的 但 品质因数通常比较大 , 因此会造成输 出信号偏移较大 , 降低测量精度 J 。而闭环驱动 电路能够 实时追踪微 机械 振动 陀螺仪 驱动 模 态 谐 振 频 率 的 变化 , 时调 整 及 驱动电压的频率和幅度 , 从而提高陀螺仪输出信号 的
Ab t a t I r e oi r v h up t in l Ss n i v t f co c i e i r tr y o c p , h sr c : n o d rt mp o e t e o t u g a ’ e st i o r ma h n d v b ao y g r s o e t e ̄e u n s i y mi q e—
M ir m a h n d Vi r t r r s o e c o c i e b a o y Gy o c p
XU Yis e ,WANG h u rn ,S —h n S o —o g HENG ig IXu —h n P n ,J n s e g
( eat n o su n Sine& E g er g Suh at n esy N nig 10 6 C ia D pr t f nt met cec me I r ni ei , otes U i ri , aj 0 9 , hn) n n v t n2
MEMS陀螺仪
低成本批量生产
• 将MEMS陀螺仪与其辅助电路整合在同一个封装内, 运用创新的MEMS制程技术,简化传感器与线路之 间的焊接过程,并缩小它们的封装尺寸(多轴陀 螺仪的系统封装面积仅为3×5平方毫米),用一 块硅片可一次性快速生产大量产品,实现低成本 量产。
ห้องสมุดไป่ตู้
MEMS陀螺仪的特点
缺点: • 陀螺仪根据精度划分,有超高精度、中高精度陀
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,根据科里奥效应,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年第一次详 细地研究 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。
3.微机械加速度计陀螺仪 微机械加速度计陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速 度计做反向高频抖动 而构成的多功能惯性传感器,兼 有测量加速度和角速度的双重功能。
MEMS陀螺仪的特点
优点: • 陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴动作的角速
度,是补充加速度计功能的理想技术。结合加 速度计和陀螺仪这两种感测器,可以跟踪并捕 捉3D空间的完整动作,提供更真实的用户体验、 精确的导航系统及其他功能。 • 与传统陀螺仪相比,MEMS陀螺仪具有体积小、 重量轻、成本低、功耗低、可靠性好、测量范 围大、易于数字化和智能化等突出的优点。
MEMS陀螺仪的分类
1.振动式微机械陀螺仪 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,在被基带动旋转时的哥氏效应感测角速度。
2.转子式微机械陀螺仪 转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成,采用静电悬 浮,并通过力短再平衡回路测出角速度。从功能看,转 子式微机械陀螺仪属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传 感器。
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A DOUBLY DECOUPLED MICROMACHINED VIBRATING WHEEL GYROSCOPE Q.C. Zhao1,2, X.S. Liu1, L.T. Lin1, Z.Y. Guo1, J. Cui1, X.Z. Chi1, Z.C. Yang1*, G.Z. Yan1 1National Key Laboratory of Micro/Nano Fabrication Technology
Institute of Microelectronics, Peking University, Beijing, 100871 CHINA 2State Key Laboratory of Transducer Technology, Chinese Academy of Sciences
ABSTRACT In this paper, a doubly decoupled vibrating wheel gyroscope with novel torsional sensing comb capacitors is presented. The doubly decoupled design and symmetrical structure can efficiently suppress the mechanical coupling of the gyroscope. Moreover, the symmetrically distributed proof masses make it immune from the linear accelerations. Both driving and sensing modes of the gyroscope are dominated by slide film air damping, so it can work even at atmospheric environment. The process for this gyroscope is also compatible with z-axis gyroscope, which makes it potential to realize low cost monolithic MIMU (miniature inertial measurement unit) without vacuum packaging. The gyroscope was fabricated and tested at atmosphere. The sensitivity is 3.1mV/°/s while the nonlinearity is 7.68‰ with the full scale of 900°/s. The noise floor is 0.45°/s/Hz1/2. KEYWORDS Lateral axis, gyroscope, doubly decoupled INTRODUCTION Owing to the advantages on size, weight, cost, power consumption, micromachined gyroscopes are becoming more and more attractive for applications on inertial navigation, automobile safety systems, robotics, consumer electronics, and so on. In the last two decades, various micromachined gyroscopes have been developed. In order to improve the overall performance of a gyroscope, mechanical coupling between the driving and sensing modes must be suppressed. A decoupled structure is an efficient and low cost approach to suppress the undesired coupling [1-4], which can suppress not only the CFDTS (coupling from driving mode to sensing mode) but also the CFSTD (coupling from sensing mode to driving mode). Many doubly decoupled z-axis gyroscopes have been successfully implemented [1-3]. However, because the lateral-axis gyroscopes have to deal with out-of-plane motions, the doubly decoupled design becomes complicated. In our previous work, benefiting from the torsional sensing comb capacitors, a doubly decoupled lateral axis gyroscope has been successfully demonstrated [4]. However, like most of the reported MEMS gyroscopes, it is sensitive to linear accelerations along its sensing axis. Therefore, in practical use, it needs either two gyroscopes driving in anti-phase or complicated signal conditioning circuits to cancel out the effect of linear accelerations. Vibrating wheel or tuning fork gyroscopes can minimize the influence of linear accelerations [2, 5, 6], but most of them can only work well in vacuum packaging. In this paper, a doubly decoupled micromachined vibrating wheel gyroscope is presented, which can not only be immune from the linear accelerations along its sensing axis, but also work at atmospheric environment.
STRUCTURE DESIGN The schematic diagram of the proposed gyroscope is shown in Fig.1. The gyroscope comprises a circular inner frame (driving mass), a rectangular outer frame (sensing mass), a circular frame between them (proof mass), two groups of driving springs, two groups of sensing springs, one anchor in the centre and two anchors outside. The driving and sensing springs connect the inner anchor, driving mass, proof mass, sensing mass and outer anchors, respectively. All of the structures are symmetrical along y-axis. It should be noted that the proof mass is wider in the x axis than in the y axis so as to obtain larger inertia moment about y-axis.
Driving mass AnchorDriving spring1
Driving spring 2
Torsional comb capacitors: C2
Sensing spring 1 Proof mass
Torsional comb capacitors: C1
Sensing spring 2
Sensing mass y z x
Figure 1: Schematic of the vibrating wheel gyroscope. The working principle of the gyroscope is explained as follows. In the driving mode, the inner driving mass and the proof mass are driven to vibrate about z-axis. When there is an angular rate input along x-axis, the proof mass will torsionally vibrate around y-axis due to the induced Coriolis acceleration, which will force the sensing mass vibrating accordingly. Only the motions of the proof mass are coupled by both driving mode and sensing mode. The motions of driving mass and sensing mass are isolated. That is, the gyroscope is doubly decoupled from the undesired mechanical crosstalk. Moreover, because the structure is fully symmetrical about y-axis, any acceleration along z-axis cannot cause rotation around y-axis. Consequently, the structure can immune from the linear accelerations along its sensing axis.