MEMS陀螺仪传感器

MEMS陀螺仪传感器

07测控一班 第二小组 (11··· ··20) 许盼兮

MEMS简介

MEMS是微机电系统(Micro-ElectroMechanical Systems)的英文缩写。 MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机 械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量 制作的，集微型机构、微型传感器、微型 执行器以及信号处理和控制电路、直至接 口、通信和电源等于一体的微型器件或系 统。 在微型传感器领域较为成熟的MEMS 传感器有三种加速度计、压力传感器、陀 螺仪

市场观察发展报告说，MEMS市场在2007 年增长百分之九，达到60亿美元，其中前 30名制造商的收入总和有56亿美元，平均 增长7个百分点。预计今年MEMS市场将增 长11 .1%,达到66.54亿美元 。

目前在汽车MEMS市 场，压力计和加速度 计还是占较大份额， 但是随着对汽车安全 性能要求越来越高， 尤其是在北美和欧洲 稳定性主控系统的安 装率节节攀升，陀螺 仪的市场增长率明显 比前两类要快，在 2011年预期达到10%。

陀螺仪的功能

陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技 术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的 应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重 要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元 件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器 能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度 等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、 舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行，而 在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的 制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态 控制和轨道控制。

陀螺仪的原理

陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转 轴所指的方向在不受外力影响时，是不会 改变的。人们根据这个道理，用它来保持 方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺 仪的定向性使它能测量360度范围内的角度 变化，通过信号处理我们可以获物体的姿 态信息，这一点在飞行器姿态控制中很早 就有应用！(视频1)

与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。 传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。 要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出 来，显然难上加难。

为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的 小型化。什么是科里奥利力呢？科里奥利力(Coriolis force)也就时常说的哥里奥利 力、科氏力，它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，其来自于物体运动

所具有的惯性，由于地球自转运动而 作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现 象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。在北半球，从南向北流的河流，河水 冲刷东岸；从北向南流的河流，河水冲刷西岸

MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺仪利用科里奥利力(旋转 物体在径向运动时所受到的切向力),旋转中的陀螺仪可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。 为了产生这种力，MEMS陀螺仪通常安装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，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。”这样，MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就 会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变 化的运动，并可在横向作与驱动力差90°的微小震荡。这种科里奥利力好比角 速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。

Mass 质量块 Drive Direction 驱动方向 Sense Direction 感应方向一般的MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分

电容板形状的传感部分组成

三轴陀螺仪MEMS细致结构 200um尺度显微照

以意法半导体的MEMS陀螺仪为例，其核心元件是一个微加工机械单元，在设计上 按照一个音叉机制运转(音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电 晶体使音叉在一定共振频率下振动，当音叉开关的音叉与被测介质相接触时，音叉 的频率和振幅将改变，音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转 换为一个开关信号)。电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产 生谐振，利用科里奥利力把角速率转换成一个特定感应结构的位移，两个正在运动 的质点向相反方向做连续运动。只要从外部施加一个角速率，就会出现一个力，力 的方向垂直于质点的运动方向。

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。

现在广泛使用的MEMS陀螺(微机械)可应用于 航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境 监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明 显的优势： 1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重 量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。 2、低成本。 3、高可靠性。内部无转动部件，全固态装置， …… 此处隐藏：526字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……