MEMS陀螺儀概況介紹

1、微機(jī)械陀螺儀的工作原理

MEMS陀螺儀利用科里奧利力(Coriolis force，又稱為科氏力)現(xiàn)象?？剖狭κ菍?duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述。

科里奧利力來自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性，在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性的作用，有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的， 在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會(huì)有所變化，而它原有的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會(huì)發(fā)生一定程度的偏離。

2、微機(jī)械陀螺儀的性能參數(shù)

MEMS陀螺儀的重要參數(shù)包括：分辨率(Resolution)、零角速度輸出(零位輸出)、靈敏度(Sensitivity)和測(cè)量范圍。這些參數(shù)是評(píng)判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標(biāo)志，同時(shí)也決定陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境。

分 辨率是指陀螺儀能檢測(cè)的最小角速度，該參數(shù)與零角速度輸出其實(shí)是由陀螺儀的白噪聲決定。這三個(gè)參數(shù)主要說明了該陀螺儀的內(nèi)部性能和抗干擾能力。對(duì)使用者而 言，靈敏度更具有實(shí)際的選擇意義。測(cè)量范圍是指陀螺儀能夠測(cè)量的最大角速度。不同的應(yīng)用場合對(duì)陀螺儀的各種性能指標(biāo)有不同的要求。

3、微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)

MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣，但是主要都采用振動(dòng)部件傳感角速度的概念。絕大多數(shù)的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。圖3所示為振動(dòng)陀螺的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)示意圖。

該系統(tǒng)為2-D的振動(dòng)系統(tǒng)，有兩個(gè)正交的振動(dòng)模態(tài)。其中一個(gè)振動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊在x方向振動(dòng)，振動(dòng)頻率為 。另一個(gè)振動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊在y方向振動(dòng)，振動(dòng)頻率為 。 與 的值比較接近。

工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊使之在x軸上以接近于 的頻率 (驅(qū)動(dòng)頻率)振動(dòng)，如果振動(dòng)系統(tǒng)以角速度 繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿Y軸方向的科里奧利力，從而使得質(zhì)量塊在Y軸方向上產(chǎn)生頻率為的 振動(dòng)響應(yīng)，通過測(cè)試Y軸方向的運(yùn)動(dòng)就能完成角速度 的檢測(cè)。

一般的MEMS陀螺儀由梳齒結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分(圖4)和電容板形狀的傳感部分(圖5)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。對(duì)于各種應(yīng)用要求有各種不同的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。