微机械陀螺简述,微惯性技术

1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coBiblioteka Baiduiolis 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：
1. 体积小、重量轻、功耗低。
2. 成本低，加工工艺可保证大规模生产。
2.2 柯氏效应与柯氏力
• 柯氏效应即coriolis效应，最早用来表述由于地球 自转引起的物体运动方向发生偏折的自然现象，如大气 涡旋方向，河流两岸冲刷程度不一等。在微机械陀螺基 本原理中本质相同，但旋转体不再是地球而是陀螺仪本 身• 。 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
▪ 北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所
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•国内微机械陀螺的特点与性能指标
单位 北大 清华 复旦 中科院 中北大学
结构特点
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
检测机理 电容检测 电容检测 压阻检测 电容检测 电容检测
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微机械陀螺简述,微惯性技术
5、微机械陀螺应用
• 微机械陀螺目前精度在10-2°/h左右，还将进一步 提高到10-3 °/h。随着先进的微电子技术的发展，预计微 机械陀螺的价格将会在一美元到几百美元之间。其低廉 的价格使其具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域 中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器 人、计算机鼠标，甚至是玩具上。
•2、仍然面临挑战 • 在MEMS中还存在着大量具有挑战性的力、磁、 电等问题需要研究, 对这些问题的有效解决则将会 加快推动微机械陀螺仪技术的发展
2、微机械陀螺基本原理
•振动式微机械陀螺基本原理 •柯氏加速度及柯氏力
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微机械陀螺简述,微惯性技术
2.1 振动式微机械陀螺基本原理
• 微机械陀螺的基本原理式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。
灵敏度 22mv/°/s 1.9mV/°/s 电桥输出 0.22μV/°/s 9.8mV/°/s
0.7mV/°/s
噪声/漂移
/ /
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微机械陀螺简述,微惯性技术
• 从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如 下： • 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
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微机械陀螺简述,微惯性技术
应用举例
•智能手机中
•汽车中
•空中无线鼠标中
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•数码相机中
•智能机器人 中
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应用前景展望
•1、应用比重增大 • 过去几十年内，在汽车工业需求的推动下, 微 陀螺技术取得了长足进展，随着对传感器小型化、 集成化的应用需求，其在应用领域中的比重将会不 断增大。
微机械陀螺简述,微惯性 技术
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2020/11/14
微机械陀螺简述,微惯性技术
Contents
•微机械陀螺仪基本概念 •微机械陀螺仪基本原理 •微机械陀螺仪基本性能指标 •微机械陀螺仪发展概述
•微机械陀螺仪应用
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微机械陀螺简述,微惯性技术
1、 微机械陀螺仪基本概念
•基本概念及组成 •微机械陀螺特点 •微机械陀螺分类
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微机械陀螺简述,微惯性技术
2.2 柯氏效应与柯氏力
• 仅受引力和吊线 张力作用而在惯性空 间固定平面内运动的 摆叫傅科摆。
• 根据柯氏效应原 理可以解释傅科摆运 动。
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•傅科摆模 型
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2.2 柯氏效应与柯氏力
•y •ω
•解释傅科 摆原理前 先看运动 一个二维 模型
•ω
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•V
•ac
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2.2 柯氏效应与柯氏力
▪ 傅科摆是法国物理学家傅 科 （ J.B.L.Foucault ） 1851 年 在 巴 黎 国 葬 院 的 圆拱屋顶上悬挂的一个摆 长 约 67 米 、 摆 锤 重 28 千 克的大单摆。随着每一次 摆动，地上巨大的沙盘便 留下摆锤运动的痕迹
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1.3 微机械陀螺分类
•按驱动方式
•压电式 •静电式 •电磁式
•微
机
•按检测方式
•压电检测 •电容检测
械 陀 螺
•压阻式检测 ••隧光道学效检应测检
分
测
类
•闭环模式
•速率陀螺
•按工作模式
•速率积分陀
•开环模式
螺
•整角模式
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微机械陀螺简述,微惯性技术
优点：
1. 体积小、重量轻、功耗低。
2. 成本低，加工工艺可保证大规模生产。
3. 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g
的
冲击。
4. 测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s
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。
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3. 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g
的
冲击。
4. 测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
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。
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1.3 微机械陀螺分类
•按振动结构
•微
机
械
陀
螺
分
•按材料
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微机械陀螺简述,微惯性技术
2.2 柯氏效应与柯氏力
•ω
•z
•z
•V
z
•V
•V •y
y
•V
•V •x x
•z
•y
•V
z
•ac
2 •V
•ac
•ac•V •y
•V
1y
•x
•x x
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微机械陀螺简述,微惯性技术
2.2 柯氏效应与柯氏力
• 初始速度和位置的 不同将会引起运动轨迹 的不同。 • 并且傅科摆在地 球两极摆幅最大现象最 为明显，在赤道上几乎 没有现象。
析
•ΔVr •Vr1=r1 ω
•Vr0=r0 ω
•α=ωt
•切 向 分 析
•ΔVr=Vr1-Vr2
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微机械陀螺简述,微惯性技术
•柯 氏 加 速 度 分 析
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2.2 柯氏效应与柯氏力
•ω
•ω
•Δ Vt
•Vt1= V
•Vt0= V
•α=ωt
•径 •ΔVr 向 分 •Vr1=r1 ω
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微机械陀螺简述,微惯性技术
4、微机械陀螺发展概述
• 微机械陀螺以 体积小、成本低、 抗过载能力强等优 势，可应用于导航、 制导、汽车、电子 玩具等领域，成为 世界各国研究的热 点。
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微机械陀螺简述,微惯性技术
微机械陀螺国内外研究现状
国外：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，已有商业化产品。
国内：有北京大学、清华大学、复旦大学、哈尔滨工业 大学、中科院上海微系统所、中北大学等，都对陀螺进行 了深入的研究，取得了一定的成果，但无商业化产品，处 于研究阶段。
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微机械陀螺简述,微惯性技术
•美国Michigan大学
•日本Murata Mfg.Co •土耳其安卡拉中东科技大 学
•芬兰赫尔辛基工业大学
• 柯氏加速度只有当线速度与转速同时存在时才会出 现，因此为测量柯氏加速度需使加速度传感器跟随物体 旋转的同时运动起来。实现的最简单方法就是谐振，即 施加激励使加速度传感器做往复运动。
• 由于柯氏力正比于驱动谐振的运动频率，因此希望 谐振频率和振幅越大越好。
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•ω
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•V
•ac
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2.2 柯氏效应与柯氏力
•ω
•ω
•柯
氏
•V
加
速
度
分
析
•Δ Vt
•Vt1= V
•Vt0= V
•α=ωt
•径 向 分 析
•ΔVt=2Vsin(ωt/2)
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2.2 柯氏效应与柯氏力
•ω
•ω
•柯
氏
•V
加
速
度
分
检测机理 电容检测 电容检测 电容检测 电容检测
灵敏度/分辨率
25Hz带宽下 分辨率0.5/s 25Hz带宽下 分辨率0.07/s 真空24mV/º/s 大气100μV/º/s
信噪比51.6dB
噪声/漂移 7.2/h / /
电容检测
18mV//s
量程为100º/s
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微机械陀螺简述,微惯性技术
•上 面的 例子 与微 机械 陀螺 之间 的关 系？
2.2 柯氏效应与柯氏力
•y •ω
•x
•ac
•V
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微机械陀螺简述,微惯性技术
3、微机械陀螺基本性能指标
•标度因数
•阈值
•非线性度
•性能指标
•测量范围
•分辨率
•随机漂移
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性能指标
•随机漂移――指由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。
类
•按加工方式
•旋转振动结构 •线性振动结构
•振动盘结构陀 •旋转盘螺结构陀
螺 •正交线振动结 •非正交构线振动结
构
•硅材料 •非硅材料
••体表微面机微械机加械工加 •LIGA(工光刻、电铸和注
塑)
•单晶硅 •多晶硅
•石英 •其它
•振动平板结构 •振动梁结构 ••加振速动度音计叉振结动构结
构
•振动平板结构 •振动梁结构 •振动音叉结构
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。
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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
•测量范围——陀螺仪的量程 •阈值――陀螺仪能敏感的最小输入角速率。 •分辨率――陀螺仪在规定的输入角速率下，能敏感的最小输入角速率 增量，至少应等于按标度因数所期望输出增量的50％。 •标度因数――陀螺仪输出量和输入角速率的比值。 •标度因数非线性度――在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最 小二乘法拟合直线的最大的偏差和最大输出量之比。
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微机械陀螺简述,微惯性技术
1.1 基本概念及组成
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。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。由于 工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易， 因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度 计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。
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•ac •V
•x
•ac
•V
•可简单理解为小球运 动轨迹被柯氏力拉弯
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2.2 柯氏效应与柯氏力
•ω
•z
•V
•x
• 将地球建立直 角坐标系，并假设地 球北半球某处有一运 动的傅科摆，摆子切 向线速度为V，方向 如图，设地球自转角 速度为ω。 •y • 下面将利用柯氏 效应对这一现象进行 解释。
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•德国Bosch公司
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•国外微机械陀螺的特点与性能指标
单位
结构特点
美国 Michigan大学
日本 Murata Mfg.Co 土耳其安卡拉中东
科技大学 芬兰
赫尔辛基工业大学
德国Bosch公司
振动环式
独立梁式 电容驱动 电容驱动 3mm×3mm
框架式 角振动 双质量块 电磁驱动
• 为什么？
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2.2 柯氏效应与柯氏力
•ω
•赤
•z
道
•V
和
•y
•V
•Vz
•x •Vx •a
•ax≠0 •ay≠0 •az=0
两
c
极
傅 科 摆 分
•V •V
•y
•z
•V
•Vz
•ax≠0 •ay=0 •az=0
析
•x •Vx
•a
x
•x
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析
•Vr0=r0 ω
•α=ωt
•切 向 分 析
•由于对时间取极限t→0
•两个加速度方 •相同
向
•柯氏加速度： ac=at+ar=2Vω
微机械陀螺简述,微惯性技术
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 • 下面将利用前面分析的柯氏加速度的方法解释一 自然现象——傅科摆。