MEMS陀螺仪发展综述及技术研究
MEMS陀螺仪精讲
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。 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。
2、日前,意法半导体(ST)新推出13款单轴和双轴陀螺 仪。这种陀螺仪有以下值得关注的地方： ①这种全新高性能角运动传感器 可运用于手势控制的游戏机和遥 控指向产品、数字摄像机或数码 相机的图像稳定功能，以及GPS 导航辅助系统。 ②意法半导体的陀螺仪包括关断模式 (当整个器件完全关断时)和睡眠模式， 部分电路在睡眠模式下被关断,不但 大幅降低功耗，并可快速唤醒,使电 源开关更加智能化。 ③意法半导体的高性能MEMS陀螺仪 拥有抗机械应力，并改进了内部自 检功能，使客户在组装后可以验证 传感器功能，无需在测试过程中移 动电路板。
MEMS陀螺仪的应用发展史
1.MEMS陀螺仪的第一波应用是1990年代的汽车安 全系统
2.MEMS陀螺仪第二波应用是始于2000年的消费电 子产品 3.MEMS陀螺仪的第三波应用将开始出现在医疗、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，战争以 信息化战争的对抗为主,重点 是发展精确制导武器，MEMS陀 螺仪在其中发挥了重要作用。
整合MEMS加速计和陀螺仪地磁的模块 正在进入廉价的电子玩具市场，传感 器模块提供的动作感应功能可实现互 动的游戏体验，还能让更小的儿童上 网分享快乐：孩子们很快就能够用自 然的动作玩这些玩具，不再使用按钮 或键盘一类的东西。
2024年MEMS陀螺仪市场发展现状
2024年MEMS陀螺仪市场发展现状引言微电机系统（MEMS）陀螺仪是一种基于微纳技术的小型化陀螺仪装置，主要用于测量角速度和角位移。
近年来，随着物联网、智能手机等技术的快速发展，MEMS 陀螺仪市场也呈现出快速增长的趋势。
本文旨在探讨MEMS陀螺仪市场的发展现状，并分析市场前景和发展趋势。
1. MEMS陀螺仪市场概述MEMS陀螺仪广泛应用于航空航天、汽车、消费电子等领域。
随着无人机、自动驾驶车辆等技术的普及，对高性能MEMS陀螺仪的需求越来越大。
目前，市场上的MEMS陀螺仪主要分为三个主要类别：光学陀螺仪、电容陀螺仪和振动陀螺仪。
•光学陀螺仪：利用光纤的光相位差或光频差来测量角速度，具有高精度和高稳定性的特点。
•电容陀螺仪：基于电容变化来测量角速度，具有低功耗和较小尺寸的优势。
•振动陀螺仪：通过测量振动模式的变化来获取角速度信息，具有高灵敏度和高阻尼能力。
2. MEMS陀螺仪市场现状目前，全球MEMS陀螺仪市场处于快速增长阶段。
据市场研究机构统计，2019年全球MEMS陀螺仪市场规模达到XX亿美元，并预计未来几年将以复合年增长率XX%持续增长。
以下是市场现状的几个主要方面：2.1 市场驱动因素•物联网技术的快速发展推动了MEMS陀螺仪市场的增长。
物联网应用中需要大量的传感器进行数据采集和处理，而MEMS陀螺仪作为一种重要的角速度传感器，被广泛应用于物联网设备中。
•智能手机市场的快速增长也推动了MEMS陀螺仪的需求。
智能手机中的陀螺仪主要用于姿态感知和图像稳定等功能，随着智能手机用户数量的增加，对MEMS陀螺仪的需求也在增加。
•自动驾驶技术的发展对高性能MEMS陀螺仪提出了更高的要求。
自动驾驶车辆需要准确的姿态感知和导航功能，这就需要高性能的MEMS陀螺仪来提供精确的角速度测量。
2.2 市场挑战虽然MEMS陀螺仪市场发展迅速，但仍面临一些挑战：•技术挑战：尽管MEMS陀螺仪在小尺寸、低成本和低功耗等方面具有优势，但仍需要克服一些技术难题，例如陀螺仪的精度和稳定性问题。
微机械陀螺仪概述和发展
微机械陀螺仪概述和发展目前陀螺仪在国内外依然处于比较热门的领域，各国都投入了大量财力物力。
国外已经开始致力于高精度的陀螺仪的研究，我国正处于追赶阶段。
MEMS 微机械陀螺在汽车导航、工业控制、、消费电子、移动应用、航空航天等领域得到了广泛的应用。
由于陀螺仪芯片体积小（1-10毫米），所以其研究难点重点在于结构设计、加工制造、封装和性能、成品率、成本等方面。
标签：陀螺仪；科氏效应；发展1 陀螺仪分类分析陀螺仪种类多，原理也不尽相同，通过对陀螺仪的分析，加强对各个种类陀螺仪的了解和认识，选取分类号为G01C19/56下的微机械陀螺进行分析，2006年版本IPC分类表中只有G01C19/56，随着振动陀螺仪的发展，单一的分类号已经不能满足陀螺仪分类的需求，在2012年IPC修订中增添G01C19/56下14个分类号以及G01C19/57下的12个分类号。
2 微机械陀螺概述当前，研究和开发微纳米级的微机电系统和专用微型仪表，包括传动件、智能材料、执行器以及微纳米传感器等已成为很多领域的热门课题。
随着微机械结构的出现和发展，航天航空微系统时代将伴随而来，微机械结构技术的发展，为未来宇航、飞行、导弹等高端航空航天飞行器的设计提供更精确的服务和很大的发挥空间。
2.1 微机械陀螺仪种类微机械陀螺仪属于一种振动式角速率传感器，用于测量旋转速度或旋转角或加速度，作为重要的惯性器件，具有质量轻、体积小、稳定性高、功耗低、精度高、性能优等诸多优点。
MEMS 陀螺分类方式有多种。
选取其中较为基础的几种进行介绍。
2.2 陀螺种类介绍（1）固体微陀螺。
2006 年，日本Hyogo大学在期刊上发表了了一种新型的压电振动固态微陀螺，该陀螺仪结构较简单，仅仅由一个带电极的锆钛酸铅（PZT）长方体构成。
它利用PZT的逆压电效应激振，以第29 阶纵向谐振模态作为参考线振动，利用压电效应检出角速率信号。
在2009 年，国内的上海交通大学[2-3]率先开展了对于该种新型固态陀螺的研究，陈文元申请的压电微固体模态陀螺采用带质量块的陀螺，在振动模态下，压电体上各点沿着轴向振动，轴向上相对两个棱边同为拉伸或压缩运动，相邻两个棱边的对应点运动方向相反，利用这种形式的振动作为压电微固体模态陀螺的工作振动模态，由于哥氏角速度效应，压电体上的压电电势发生变化，检测质量块上的压电体电压变化，即得出加速度。
MEMS陀螺仪
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结束
大幅降低功耗，并可快速唤醒,使电
源开关更加智能化。
③意法半导体的高性能MEMS陀螺仪 拥有抗机械应力，并改进了内部自 检功能，使客户在组装后可以验证 传感器功能，无需在测试过程中移 动电路板。
MEMS最新国内成果
1、最新的MEMS陀螺仪--HTG系列陀螺仪：最新 的MEMS陀螺仪--HTG系列陀螺仪是用来测量角速 率的固态传感器, 采用MEMS芯片，制造采用 BIMOS生产工艺和载流焊工艺技术。HTG系列 MEMS陀螺仪具有高可靠性和高封装坚固性;可用 于惯性测量元件、高可靠性的汽车电子、导弹 制导和控制、飞行器稳定控制、天线稳定、摄 像、数码摄影、机器人等系统。
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。
3.MEMS陀螺仪的第三波应用将开始出现在医疗、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，战争以 MEMS陀螺仪能够提供准确的方位， 信息化战争的对抗为主,重点 位置，速度，加速度等信息，并可 是发展精确制导武器，MEMS陀 应用在战术导弹，间飞行器，自主式潜艇
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。
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究ppt课件
应用范围
惯性级 <0.01 <0.001 <0.001 >400 ~100 飞机、船舶、航 天器等
战术级 0.01~10 0.001~0.5 0.001~0.1
>500 ~100 航向参考系统、制 导导弹等
速率级 10~1000
>0.5 0.1~1 30~1000 >70 移动终端、汽车、 照相机等
按照制作原理及结构可将其 大致分为转子陀螺仪、光学陀 螺仪、振动陀螺仪三类。
振动式陀螺是基于柯氏效应 工作的机械陀螺，可动部件为 谐振子，谐振子的加工工艺主 要有传统工艺和微机械加工工 艺两种方式。
各种原理的陀螺仪
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基于微机械加工工艺制造 的陀螺仪称为MEMS陀螺仪。 MEMS陀螺仪主要有转子式、 振动式和介质类三种。目前， MEMS陀螺仪的主流是振动式 的，转子式和介质类的MEMS 陀螺较为少见。
（a）振动轮式结构
（b）双质量块陀螺结构
北京大学研制的微机械陀螺仪
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（a）振动轮式结构
（b）双解耦Z 轴体硅陀振动轮式结构
（b）线振动解耦陀螺结构
清华大学研制的微机械陀螺仪 12
2、 MEMS陀螺仪基本知识
MEMS陀螺仪基本原理 MEMS陀螺仪分类及基本结构 MEMS陀螺仪设计流程及工具 MEMS陀螺仪工艺方法 MEMS陀螺仪制造技术难点
左图为清华大学2004 年提出的数字化测控 电路原理图
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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
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
振动平板结构 振动梁结构
按振动结构
线性振动结构
MEMS陀螺仪驱动算法研究与应用
MEMS陀螺仪驱动算法研究与应用MEMS陀螺仪驱动算法研究与应用陀螺仪是一种测量和感应角度速度的设备，广泛应用于航空航天、导航系统、无人机等领域。
随着微电子系统技术的进步，MEMS陀螺仪在小型化、低成本等方面具备了优势，逐渐成为研究重点。
然而，MEMS陀螺仪受到温度、震动等环境因素的影响导致测量误差，因此，陀螺仪驱动算法的研究与应用显得尤为重要。
一、MEMS陀螺仪原理MEMS陀螺仪采用微机电系统技术制造而成，其原理利用微小结构的振动模态在转动时发生变化，从而测量出转动角速度信息。
陀螺仪通常由敏感元件、信号处理电路和驱动电路组成。
敏感元件一般采用压电材料或电容式传感器，通过测量振动元件的电压或电容变化来获得输出信号，然后通过信号处理电路和驱动电路对输出信号进行处理和驱动。
二、MEMS陀螺仪的驱动算法分类陀螺仪驱动算法主要分为基于模型的算法和基于数据的算法两类。
1. 基于模型的算法基于模型的算法主要利用陀螺仪自身的数学模型来进行状态估计和校正。
常见的方法包括卡尔曼滤波（Kalman Filter）、扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter）和粒子滤波（Particle Filter）等。
卡尔曼滤波是一种递归算法，可以估计系统的状态变量，并且可根据测量值和模型来减小误差。
然而，卡尔曼滤波算法对于非线性系统和噪声存在限制。
扩展卡尔曼滤波是对卡尔曼滤波算法的扩展，适用于非线性系统。
通过在状态和观测方程中引入泰勒展开，将非线性系统线性化，然后使用卡尔曼滤波进行递归估计。
粒子滤波是一种基于蒙特卡洛方法的滤波算法，适用于非线性和非高斯的系统。
通过使用一组随机粒子来表示可能的系统状态并进行样本重采样，可以有效地估计系统的状态。
2. 基于数据的算法基于数据的算法主要利用陀螺仪的输出数据进行校准和误差补偿。
常见的方法包括零偏校准、尺度因子校准和温度补偿等。
零偏校准是通过运动停止时陀螺仪输出的零偏量来进行校准，通常采用零偏平均法或零偏回归法。
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究概述
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基于微机械加工工艺制造 的陀螺仪称为 MEMS陀螺仪。 MEMS陀螺仪主要有转子式、 振动式和介质类三种。目前， MEMS陀螺仪的主流是振动式 的，转子式和介质类的 MEMS 陀螺较为少见。
体积微小的微机械陀螺
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陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。按照零偏稳定性的大小 以及其它主要性能指标的不同，可将陀螺仪分为三个级别：惯性级、战术级和速率 级。 不同级别陀螺仪的性能指标要求
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(a) 框架式
(b) 音叉式 Draper 实验室的微机电陀螺结构
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Bosch 公司研制的轮式微陀螺结构
Michigan大学研制的环式微陀螺结构
（a）双质量音叉式 （b）四质量摆式结构 （c）盘式谐振结构 加州大学Irvine 分校研制的微机电陀螺结构
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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、 东南大学、国防科大、哈工大等多家单位，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。
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陀螺仪概况介绍
MEMS陀螺仪概况介绍MEMS陀螺仪是一种运用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术制造的陀螺仪。
MEMS陀螺仪的发展与传统机械陀螺仪相比，具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、成本低等优势，因此在无线通信、导航定位、智能手机、游戏机、航空航天等领域得到了广泛的应用。
从原理上来说，MEMS陀螺仪是利用陀螺效应进行测量的。
根据陀螺效应，当陀螺体受到力矩作用时，会产生旋转运动，并随着陀螺体的旋转方向发生改变。
MEMS陀螺仪利用微加工技术制造出微小的陀螺体结构，通过测量陀螺体旋转的角速度来反映外界的力矩。
MEMS陀螺仪的核心部件是微机电系统传感器芯片。
该芯片由陀螺体、补偿机构和信号处理器组成。
陀螺体采用微机电技术制造，通常由微小的旋转结构和驱动电极组成。
补偿机构可以校正陀螺仪在使用过程中的误差，如温度漂移、震动干扰等。
信号处理器对传感器采集到的信号进行放大、滤波和数字化处理，最终输出测量结果。
MEMS陀螺仪主要应用于姿态控制、导航定位和惯性测量等领域。
在无人机、无线通信基站和汽车电子中，MEMS陀螺仪可以感知设备的姿态变化，并通过控制其他执行器实现稳定的定位和姿态控制。
在导航定位系统中，MEMS陀螺仪结合其他传感器如加速度计和磁力计，可以提供高精度的导航定位信息。
在惯性测量领域，MEMS陀螺仪可以用于测量物体的转动角速度，如飞行器的姿态角速度、旋转仪的角速度等。
然而，MEMS陀螺仪也存在一些挑战与局限性。
首先，由于微加工技术的限制，MEMS陀螺仪的测量范围和分辨率相对较小。
其次，由于设备内部结构的微小化，MEMS陀螺仪对温度变化和震动的敏感度较高，容易产生误差。
此外，MEMS陀螺仪在长时间运行过程中，由于不可避免的温度漂移和机械疲劳等因素，测量精度也会逐渐下降。
为了克服这些局限性，研究人员提出了一系列改进措施。
例如，通过增加补偿机构和算法优化，可以有效降低温度漂移和震动干扰对MEMS陀螺仪测量精度的影响。
微机械陀螺仪技术研究
针对原子、分子和电子等的极小化研究，尺度特征为微米、纳米甚至皮米，研究手段以扫描隧道显微镜为代表。
这其中，微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势，而微纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。
微电子机械系统(Micro．Electro—Mechanical Systems，简称MEMS)是微纳米技术研究的一个重要方向，是继微电子技术以后在微尺度研究领域中的又一次革命。
MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成为一体，形成同时具有“传感一计算(控制)—-执行”功能的智能微型装置或系统。
MEMS的加工尺寸在微米量级，系统尺寸在毫米量级。
它的学科交叉程度大，其研究已延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。
MEMS的发展源于集成电路，但又有所区别：MEMS能够感知物理世界中的各种信息，并由计算单元对信息进行处理，再通过执行器对环境实施作用与控制。
微型化是MEMS的一个重要特点，但不是唯一特点。
首先，MEMS不仅体积小、重量轻，同时具有谐振率和品质因子高、能量损失小等特点。
其次，可批量加工特点大大降低了MEMS产品成本：若借助于MEMS器件库，MEMS的设计将更加灵活，重用率更高。
最后，强大的计算能力是MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键，充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEMS在智能控制等领域的应用。
随着微电子技术和微机械加工技术的发展及振动陀螺仪的出现，使人们制造出微小型惯性元器件的梦想成为了现实。
在微观尺寸生产领域制造技术革命性的发展，使得小型元器件的尺寸突破了一个又一个极限。
如扫描隧道显微镜，可以实现原子分辨率；电子束、离子束、X 射线束制造技术，可以使器件的特征线宽做到100．250埃：分子工程也与常规的平面工艺密切地结合起来。
由于这些技术及相关技术的不断发展，使微小型制造业推进到了微米／纳米的水平。
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。
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究PPT
精度的应用需求。
应用拓展
要点一
总结词
应用拓展是mems陀螺仪发展的必然趋势，未来的研究将 更加注重开拓新的应用领域和市场。
要点二
详细描述
随着mems陀螺仪技术的不断成熟，其应用领域也在不断 拓展。未来的研究将探索新的应用领域，如航空航天、无 人驾驶、智能机器人等，以满足更多领域对高精度导航和 姿态测量的需求。同时，研究还将关注市场需求和产业发 展的趋势，推动mems陀螺仪技术的商业化进程。
测试技术
测试技术是确保MEMS陀螺仪性能和质量的 关键环节，主要包括静态测试和动态测试两 个方面。
静态测试：检测陀螺仪在静止状态下的性能 指标，如零点输出、线性度、重复性等。动 态测试：检测陀螺仪在动态状态下的性能指 标，如带宽、灵敏度、抗干扰能力等。测试 技术的进步有助于提高MEMS陀螺仪的性能
mems陀螺仪的原理
Mems陀螺仪的原理基于角动量守恒定律，即一个旋转物体在不受外力矩作用时，其角动量保持不变。当mems陀螺仪的敏 感结构受到旋转角速度的作用时，会产生一个与旋转角速度成正比的力矩，从而引起微机械结构的振动或位移，通过检测这 个振动或位移量，可以推算出旋转角速度的大小。
Mems陀螺仪的敏感结构通常采用微机械加工技术制造，具有极高的灵敏度和精度。
和可靠性。
集成技术
集成技术是将多个MEMS器件集成在一个芯片上，实 现更复杂的功能和更高的性能。集成技术是MEMS陀 螺仪发展的趋势之一。
单片集成：将多个MEMS器件制作在同一硅片上，实 现单片集成。多片集成：将多个硅片集成在一起，形 成一个复杂的系统。混合集成：将不同类型的器件集 成在一起，实现优势互补。集成技术的进步有助于提 高MEMS陀螺仪的可靠性和降低成本。
MEMS陀螺技术国内外发展现状简述
MEMS陀螺技术国内外发展现状简述陈尚;张世军;穆星科;陈永强【摘要】随着MEMS技术的快速发展,惯性器件微陀螺得到了广泛的发展和应用.MEMS陀螺具有体积小、重量轻、成本低和可批量生产等独特优点,在军事领域有着广阔的发展和应用前景,受到了各军事强国的青睐. 本文对MEMS陀螺的军事需求进行了初步介绍,重点针对国内外典型MEMS陀螺器件的结构形式、基本原理、优缺点、关键性能指标进行了梳理和分析,并对它们的应用前景进行了展望.随着微机电技术的发展和新型材料的应用,MEMS陀螺的种类将进一步多样化,MEMS陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用.【期刊名称】《传感器世界》【年(卷),期】2016(022)004【总页数】5页(P19-23)【关键词】MEMS;陀螺;惯性器件;综述【作者】陈尚;张世军;穆星科;陈永强【作者单位】中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100076;中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100076;中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100076;中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TP212一、前言微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）发展于20世纪90年代，是在微电子制造技术发展的基础上随着精密微型机械制造技术的发展而成长起来的，尺寸从微米到毫米级，集微型传感器、微型执行器、微型传动结构、处理电路及接口于一体，具有可批量生产、微型化、集成化及多学科交叉等特点。
以MEMS技术为基础的微陀螺是一种重要的微惯性器件。
它以体积小、价格低、功耗小、可靠稳定、可批量生产等优点适用于各种制导航空弹药、微小飞行器、稳定平台、机器人等军事领域，受到了各军事强国的青睐。
二、MEMS陀螺的军事需求在军事应用领域，MEMS 微陀螺主要用于导航制导、姿态测量与稳定以及引信等方面。
各国竞相发展的各类远程制导炮弹、灵巧弹药以及各种常规炸弹制导化改造对惯导系统精度要求不是很高，但要求成本低廉、反应时间短、动态范围宽、体积重量小、环境适应能力强。
MEMS陀螺仪研究综述(1)
MEMS 陀螺仪研究综述摘要：从MEMS 陀螺仪的基本工作原理、发展历程和相关的技术介绍，回顾了MEMS 微陀螺仪的研究进展，并简单介绍了MEMS 微陀螺仪的市场应用。
一、引言MEMS 是微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems ）的英文缩写，MEMS 技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology ）基础上，对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。
它可以将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统整合为一个整体单元，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。
如果采用与集成电路工艺类似的硅加工技术，便可利用IC 生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统的机械制造技术大幅度提高，实现大规模集成产业化。
而其中，MEMS 陀螺仪（gyroscope ）又是MEMS 的一个重要发展方向。
随着MEMS 技术的发展，惯性微陀螺仪以其尺寸小、精度高等特点，越来越受到人们的关注。
在汽车导航、消费电子和移动应用等民用领域，航空航天以及现代和可预见的未来高科技战场上都拥有着广阔的发展和市场前景。
二、基本工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。
但是 MEMS 陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构并不是一件容易的事。
MEMS 陀螺仪利用了科里奥利力——旋转物体在径向运动时所受到的切向力。
在空间设立动态坐标系（图一）。
可以计算得到三项加速度：径向加速度、科里奥利加速度和向心加速度。
如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。
因此，在 MEMS 陀螺仪的图一设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者振动，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小振动，相位正好与驱动力差90度（图二）。
基于MEMS技术的陀螺仪设计及其性能优化研究
基于MEMS技术的陀螺仪设计及其性能优化研究MEMS，即微机电系统，是一种集微电子、光学、机械、热学、生物和化学等学科于一体的微小结构。
它具有小巧精致、可集成化、多功能性、低成本等优点，逐渐成为各个领域的研究热点之一。
其中，MEMS陀螺仪通过精密和超微观的工作原理，可以实现对物体的姿态变化等信息的测量，因此在导航、航空航天、车辆控制、医疗设备和工业自动化等领域有着重要的应用。
一、MEMS陀螺仪的基本原理MEMS陀螺仪的基本原理是通过利用微机电技术，制造微小结构的振动元件或超微观的结构平台，并采用压电效应或微机电自感应等方法，将微小的转动或振动信号转化为电信号输出。
其最基本的工作原理可以分为两种类型：一种是基于角位移的MEMS陀螺仪，另一种是基于角速度的MEMS陀螺仪。
对于基于角位移的MEMS陀螺仪，其主要原理是通过惯性力矩的作用，实现对物体的角位移进行测量。
由于MEMS陀螺仪的结构特殊，可以实现微小的角度位移的检测。
其具体实现方式是利用位移传感器检测陀螺仪自身的角度变化，然后将检测到的微小信号放大并进行解算，得到准确的角度变化值。
而基于角速度的MEMS陀螺仪，则通过测量物体的角速度进行相应的测量。
其工作原理是利用光学或机械传感器等装置，将物体的旋转速度转化为绕着某个轴的力矩，然后将这个力矩转化为一个输出电压。
由于MEMS陀螺仪的响应速度特快，可以实时测量出物体的角速度，并通过数字电路或计算机进行数据处理，以获得更加准确的测量结果。
二、MEMS陀螺仪的设计方案根据MEMS陀螺仪的工作原理，其最基本的设计框架包括振动系统、传感器和数据处理系统三个部分。
对于振动系统，其关键在于采用高精密的微机电制造工艺，设计出具有高精度和高稳定性的振动元件或结构平台。
而对于传感器，需要采用高灵敏度、高精度的传感器，如压电传感器、光学传感器、力传感器、磁传感器等，以实现对物体微小姿态的精确检测。
而在数据处理系统方面，则需要利用数字电路、计算机、微控制器等设备，对从陀螺仪传感器获取到的数据进行采集、处理和分析。
陀螺仪的发展历程以及现状的文献综述
陀螺仪的发展历程以及现状的文献综述摘要概述了陀螺的发展情况，论述了光纤、静电陀螺等几种现代陀螺的基本原理、分类以及其中一些国内外的研究现状。
关键词光纤陀螺静电陀螺激光陀螺振动陀螺作者简介：男，北京航空航天大学，本科生1.陀螺的发展简史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。
自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。
[1]2.光纤陀螺光纤陀螺(FOG)是一种利用萨格奈克(Sagnac)效应测量旋转角速率的新型全固态惯性仪表。
自从1976年Vali和Shoahil首次提出光纤陀螺的概念以来，引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣，由于光纤陀螺与机电陀螺或激光陀螺相比有一系列优点，诸如体积小，质量轻，成本低等，特别引起海、陆、空三军的高度重视。
在这短短的20多年里，光纤陀螺得到了很大的发展。
国外中、低精度光纤陀螺已经产业化，高精度的光纤陀螺的开发和研制也正逐步走向成熟。
美国Honeywell公司的保偏型光纤陀螺的零偏稳定性已经达到0．00038°／h，是目前报道的最高精度的光纤陀螺，拟用于潜艇导航或深层空间飞行器。
光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。
国内光纤陀螺仪研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶段，也没有可靠性数据。
光纤陀螺仪属于所谓“敏感技术”，在目前复杂的技术环境中，很难从他人那里得到更多的借鉴和参考，只有靠我们自力更生走符合。
[2]光纤陀螺采用的是Sagnac干涉原理，用光纤绕成环形光路并检测出随转动而产生的反向旋转的两路激光束之间的相位差，由此计算出旋转的角速度。
MEMS激光陀螺仪综述详解
MEMS激光陀螺仪综述姓名：赵琬婷学号：220133051.陀螺仪的发展简史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。
自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。
2、激光陀螺仪概述现代陀螺仪是一种能够精确的定位运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。
传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了许多方面的制约。
3、激光陀螺仪的原理及分类3.1激光陀螺仪的原理激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。
在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。
激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射和一个半透明镜。
用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。
为维持路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。
用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。
3.2激光陀螺仪的分类激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。
常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。
MEMS射流陀螺的研究与工艺实现
MEMS射流陀螺的研究与工艺实现
射流陀螺是一种基于MEMS技术的微型陀螺仪，广泛应用于导航、惯性导航和姿态控制等领域。
其研究与工艺实现一直是微电子学领域的热点之一。
射流陀螺利用射流效应实现高精度的角速度测量。
其基本原理是通过气体射流对陀螺仪进行驱动和测量，从而获得陀螺仪的角速度信息。
相比传统的机械陀螺仪，射流陀螺具有体积小、重量轻、功耗低和抗振动等优点，适用于微型化和集成化的应用环境。
在射流陀螺的研究中，首先需要进行陀螺仪的设计与模拟。
通过对陀螺仪的结构和参数进行优化，可以提高其灵敏度和稳定性。
同时，利用MEMS技术制备陀螺仪的关键元件，如微型喷嘴和微流道等。
这些元件的制备工艺需要精确控制各种工艺参数，如温度、压力和流量等。
其中，微喷嘴的设计与制备是射流陀螺的关键环节，直接影响到射流陀螺的灵敏度和精度。
在工艺实现方面，射流陀螺的制备过程主要包括清洗、光刻、薄膜沉积、离子刻蚀和封装等步骤。
这些工艺步骤需要在洁净室中进行，以保证陀螺仪的制备质量。
同时，还需要进行严格的工艺控制和质量检测，以确保射流陀螺的性能和可靠性。
在射流陀螺的应用中，其主要面临的挑战是陀螺仪的稳定性和精度。
由于射流陀螺对环境的敏感性，如温度变化和振动干扰
等，会影响陀螺仪的性能。
因此，需要进一步研究并改进射流陀螺的抗干扰能力和自适应能力。
总的来说，MEMS射流陀螺的研究与工艺实现是一个复杂而具有挑战性的过程。
通过对射流陀螺的设计、模拟和制备工艺的优化，可以提高陀螺仪的性能和可靠性，进一步推动射流陀螺技术在导航和姿态控制等领域的应用。
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4
基于微机械加工工艺制造 的陀螺仪称为 MEMS陀螺仪。 MEMS陀螺仪主要有转子式、 振动式和介质类三种。目前， MEMS陀螺仪的主流是振动式 的，转子式和介质类的 MEMS 陀螺较为少见。
体积微小的微机械陀螺
5
陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。按照零偏稳定性的大小 以及其它主要性能指标的不同，可将陀螺仪分为三个级别：惯性级、战术级和速率 级。 不同级别陀螺仪的性能指标要求
7
随着先进的微电子技术的发展，成本和价格也会大幅下降。其低廉的价 格将使其在民用消费领域也将具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中， 如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标、照相机甚至是机 器人玩具等中低端上应用需求的产品中得到应用。
8
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，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及 土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。其中Boeing 公司的8mm 直径DRG 的 最好性能为零偏重复性 0.01º/h、角度随机游走 0.002º/rt-hr 。 Sensornor 公司也 发布了零偏稳定性 0.05º/h 的产品。国外研究的目标是研制零偏稳定性优于 0.01º/h的惯性级微机电陀螺，逐步取代激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。 产品。
线性振动结构
硅材料
按材料 非硅材料
单晶硅 多晶硅 石英 其它
按加工方式
体微机械加工 表面微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
17
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 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
>500 ~100 航向参考系统、制 导导弹等
0.1~1
30~1000 >70 移动终端、汽车、 照相机等
6
微机械陀螺体积小、功耗低、 成本低、抗过载能力强、动态范 围大、可集成化等优点，可嵌入 电子、信息与智能控制系统中， 使得系统体积和成本大幅下降， 而且总体性能大幅提升，因此在 现代军事领域具有广泛的应用前 景。 在陀螺仪的传统应用领域， 国防军事应用中，高精度微机械 陀螺将可用于导弹、航空航天、 超音速飞行器等高精度需求的军 用产品中
2
90)
crz cryrz krz kryrz d I rz 0 d d k 0 I c c ry s ry s rzry rzry kry s 2 I rz x M e _ nz M wrz 0 s M 2I M 0 e _ ny wry ry x d
s
I ry
M dz M kz M cy 2 z
M ky
z
M e _ nz M wrz
驱动轴
z
y
I rz
M dy
x
振动轮
crz
kry
d
cry
敏感检测电极
工作原理示意图
d (d 0 )
Qd M e cos(d 0t ) I rz
动力学模型
2d 0Qd Qs M e x
s (d 0 )
性能指标
零偏漂移(deg/h) 角度随机游走系数(deg/√h)
惯性级
<0.01 <0.001
战术级
0.01~10 0.001~0.5
速率级
10~1000 >0.5
标度因数非线性度（%）
满量程范围（deg/s） 带宽（Hz） 应用范围
<0.001
>400 ~100 飞机、船舶、航 天器等
0.001~0.1
动力学方程
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谐振状态下工作模态稳态解
y
内环
锚点 梳齿
y
M wry
z
x
M e _ ny
敏感轴 M cz 2 y
krz
s
I ry
M dz M kz M cy 2 z
M ky
z
M e _ nz M wrz
2 F0 Bz 1 S 灵敏度： x z 2 2 y 振动轮 2 mx x z 2 1 1 2 x Qx 敏感检测电极
(a) 框架式
(b) 音叉式 Draper 实验室的微机电陀螺结构
9
Bosch 公司研制的轮式微陀螺结构
Michigan大学研制的环式微陀螺结构
（a）双质量音叉式 （b）四质量摆式结构 （c）盘式谐振结构 加州大学Irvine 分校研制的微机电陀螺结构
10
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、 东南大学、国防科大、哈工大等多家单位，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。
I rz
2
2 2 Qs2 (s 0 d 0 )(s 0 d 0 ) d 0 s 0
cos(d 0t tan 1
d 0 Qss 0
1 d0 s 0
2
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驱动轴
2 2 1 c k 1 2 z Qz z
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d
ry
2
工作原理示意图
d (d 0 ) 2dd 0eQ cos( t )x Mde0 d Qs
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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 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
按检测方式
开环模式
全角模式
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部分检测方式的MEMS陀螺性能对比 技术指标 电容式 压电式 压阻式
阻抗 电负载影响 尺寸 温度范围 线性度误差 有无阻尼 灵敏度 电路复杂程度 成本 交叉轴敏感度 高 非常大 大 非常宽 高 有 高 高 高 高 大 小 宽 中等 无 中等 中等 高 低 小 中等 中等 低 有 中等 低 低
隧道效应式
高 小 小 中等 高 有 高 高
中
光学
\ 小 大 宽 低 无 很高 高 高
主要取决于机械设计，而非转导作用
结构设计原则
驱动刚度设计 振动模态刚度设计 检测刚度设计 驱动频率设计 振动模态频率设计 检测频率设计
工艺先行原则
结构最优原则
尺 寸 可 行 性
精 度 可 行 性
温 度 兼 容 性
腐 蚀 兼 容 性
MEMS陀螺仪设计流程及工具 MEMS陀螺仪工艺方法 MEMS陀螺仪制造技术难点
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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
动力学方程
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谐振状态下工作模态稳态解
ω
V
ac
14
ω
y
V
ac
x
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）。
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MEMS陀螺仪驱动及检测原理
左图为清华大学2004 年提出的数字化测控 电路原理图
（a）振动轮式结构
（b）双质量块陀螺结构 北京大学研制的微机械陀螺仪
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（a）振动轮式结构
（b）双解耦Z 轴体硅陀螺结构 东南大学研制的微机械陀螺仪
（a）振动轮式结构
（b）线振动解耦陀螺结构 清华大学研制的微机械陀螺仪
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2、 MEMS陀螺仪基本知识
MEMS陀螺仪基本原理 MEMS陀螺仪分类及基本结构
3.1 MEMS陀螺仪设计流程及工具
频率匹配 灵敏度 Q值设计
理论计算
结构 设计
灵敏度
初始化尺寸
软件优化
优化尺寸
噪 声 检验
频率匹配 灵敏度 Q值设计
理论计算
结构 设计
灵敏度
初始化尺寸
软件优化
优化尺寸
噪 声 检验
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M wry
y
内环