微陀螺的应用实例

22011315 李奕其

微陀螺在汽车中的应用

一、微机械陀螺的简介

微机械英文简称MEMS，是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

陀螺是用于测量物体角速度和角位移的传感器。按照工作原理分类，陀螺可以分为三类：旋转式陀螺、光学陀螺和振动式陀螺。由于公开的微机械陀螺均属于振动式陀螺，因此我们了解一下振动式陀螺的工作原理。

振动式陀螺的敏感原理是：转动坐标系中的运动物体会受到与速度方向垂直的惯性力的作用，这一惯性力称为coriolsi力。coriolsi力与转动角速度成正比，检测Coroisli力，就可得到转动系统的转动角速度。

由于coriolsi力作用使得系统产生沿检测方向的振动，微机械陀螺利用MEMS技术制作出不同的检测装置，根据不同的检测原理测量出检测方向的振动，从而计算出被检测对象的角速度。

二、微陀螺仪工作原理

微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按式1计算[1]。

（1）

式中：F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。

图2，LY530AL单轴偏航陀螺仪结构

微机械陀螺仪LY530AL，它采用了对称的双质量块结构，如图2所示。滑

块1和1’是检测质量块，2和2’是驱动质量块，并且检测质量块是附着在驱动

质量块之上。受限于结构件3，检测质量块能够被动的随驱动质量块沿驱动轴（X 轴）运动，而在检测轴（Y轴）方向，检测质量块则能在哥氏力的作用下自由运动。所以检测质量块会有两个轴向运动，一个是随驱动质量块沿X轴的受限被

动运动，另一个是由哥氏力牵引着在Y轴的自由运动。4（4’）和5（5’）分别

是驱动电极和检测电极。[2]

根据式1，哥氏力产生的加速度为a(t)=2ΩZ×。振动速度为已知量，如果得到检

测质量块上的哥氏力加速度a(t)，然后结合振动速度进行同步解调，就可以检测出XY坐标系的旋转角速度。这就是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。由于加速度的检测方法较为简单，而保持一个振幅和频率都恒定的振动速度却比较困难，所以振动速度χ(t)对角速度的检出起着关键作用。下面就LY530AL中振动驱动

控制部分做一讨论。

检测质量块的位移方程为：

（2）

对式2求导可得振动速度方程：

（3）

图3, 驱动电路双闭环控制。

因此，维持了恒定的陀螺仪振幅χo，就能使振动的速度的χ(t)幅值χ0wd恒定。再根据式1可知，只要保持振动速度χ(t)的幅值恒定就能使哥氏力加速度与输入角速率Ω成线性变化关系。因此，检测质量块的振动频率和振幅直接决定

陀螺仪的检测精度。检测质量块的驱动电路的主要功能是维持微机械陀螺振荡时恒定的幅值，即恒幅振荡。在早期的微机械陀螺仪中，驱动电路采用开环控制的方式，由外部的振荡器来驱动内部质量块的振动，此时的振幅往往会随温度的变化而变化，导致了振幅的不可控性，从而影响了微机械陀螺仪的检测精度的一致性。为此，后续的微机械陀螺仪中集成一个温度传感器，但是这样的解决方法非常受限，主要是因为振幅与温度变化之间的非线性，增加了校正的难度。

为解决上述问题，使驱动质量块做一个频率可控和幅度恒定的振动，

LY530AL中驱动电路采用了双闭环的结构，并且采取离散的自动增益控制方式，如图3所示。在LY530AL的驱动微机械的结构中，制作两种梳状电极：静电力驱动电极和振动速度检测电极，两个电极独立工作。静电力驱动电极用来产生静电力驱动检测质量块，控制内环通过该电极产生静电力驱动质量块进行恒频振动，但是只在内环的控制下，振幅是可以预知，但是不可控。为此，在内环路中引入了一个可变增益放大器（VGA）。振动速度检测电极测量质量块的峰值速度x(t)来获得振荡的幅度，经过跨阻放大器放大和PID校正后，控制可变增益放大器（VGA），从而达到控制振幅的目的。并且为了后续的解调，锁相环（PLL）用来锁定跨阻放大器的输出端，产生一个用于解调的同步系统时钟CLKDEM。

图4，检测电路结构

由式1可知，所要检测的角速度ΩZ是调制在驱动质量块振动速度上的，因此在检测电路中需要采取与驱动电路同步的解调方式。对于检测质量块在检测轴上的运动采用了全差分开环的架构，如图4所示。齿状差分电容对产生的信号被电荷放大器放大后，和CLKDEM一起送入混合器中进行双边带抑制载波解调，然后经低通滤波器滤除高频信号，送入ADC或者直接输出，这样就得到了所要的角速度值。

实践证明，上述的驱动环路能够驱动质量块产生一个可控的振动频率和振幅，较好地解决了温度或者其它制作缺陷对检测振幅的影响，显著提高其检测精度。在-40°C到85°C的温度范围内，LPR530AL的灵敏度控制在4%之内，零角速度输出只有5°/s。并且具有较快的启动速度和较短自恢复时间。

三、微陀螺在汽车上的应用

微机械陀螺在汽车工艺上的应用包括：汽车的安全气囊、防撞系统、防滑系统等。微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状态以阻止车祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在这种系统主要安装于高端汽车上。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%。

参考文献

[1] 陈宇翔，张卫平. MEMS 微陀螺仪的研究发展. 上海交通大学, 2010.

[2] 刘凯, 张卫平. 基于科氏加速度的微陀螺. 压电与声光, 2010 (6).

[3]蔡兆云，柯冠岩.MEMS陀螺仪研究与发展述评.2008