mems陀螺儀的原理(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上· mems陀螺儀的原理o MEMS 陀螺儀(gyroscope)的工作原理傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理, 因此它主要是一個不停轉(zhuǎn)動的物體, 它的轉(zhuǎn)軸指 向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化.但是 MEMS 陀螺儀(gyroscope)的工作原理不是這樣的,因為要用微機械技術(shù)在硅片襯底 上加工出一個可轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事.MEMS 陀螺儀利用科里奧利力旋轉(zhuǎn) 物體在有徑向運動時所受到的切向力. 下面是導出科里奧利力的方法. 有力學知識的讀者應(yīng) 該不難理解.在空間設(shè)立動態(tài)坐標系(圖一).用以下方程計算加速度可以得到三項,分別來自徑向加 速,科里奧利加速

2、度和向心加速度.如果物體在圓盤上沒有徑向運動,科里奧利力就不會產(chǎn)生.因此,在 MEMS 陀螺儀的設(shè)計 上,這個物體被驅(qū)動,不停地來回做徑向運動或者震蕩,與此對應(yīng)的科里奧利力就是不停地 在橫向來回變化,并有可能使物體在橫向作微小震蕩,相位正好與驅(qū)動力差 90 度.MEMS 陀螺儀通常有兩個方向的可移動板.徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向 運動(有點象加速度計中的自測試模式) ,橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的 電容變化(就象加速度計測量加速度) .因為科里奧利力正比于角速度,所以由電容的變化 可以計算出角速度.· mems陀螺儀的特點o MEMS陀螺儀是利用 coriol

3、is 定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號，其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點是1. 體積小、重量輕，其邊長都小于 1mm，器件核心的重量僅為1.2mg。2. 成本低3. 可靠性好，工作壽命超過 萬小時，能承受1000g 的沖擊。4. 測量范圍大，目前我公司生產(chǎn)的 MEMS 陀螺儀測量范圍可擴展到7560?/s。· mems陀螺儀的構(gòu)成o MEMS 陀螺儀(gyroscope)的設(shè)計和工作原理可能各種各樣,但是公開的 MEMS 陀螺儀均 采用振動物體傳感角速度的概念. 利用振動來誘導和探測科里奧利力而設(shè)計的

4、 MEMS 陀螺儀 沒有旋轉(zhuǎn)部件, 不需要軸承, 已被證明可以用微機械加工技術(shù)大批量生產(chǎn). 絕大多數(shù) MEMS 陀螺儀依賴于由相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力. 振動物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu) 懸掛在基底之上. 整體動力學系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng), 在這個系統(tǒng)中振動和轉(zhuǎn)動誘導的科 里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式.通過改進設(shè)計和靜電調(diào)試使得驅(qū)動和傳感的共振頻率一致, 以實現(xiàn)最大可能的能量轉(zhuǎn)移, 從 而獲得最大靈敏度.大多數(shù) MEMS 陀螺儀驅(qū)動和傳感模式完全匹配或接近匹配,它對系統(tǒng)的 振動參數(shù)變化極其敏感, 而這些系統(tǒng)參數(shù)會改變振動的固有頻率, 因此需要一個好的控制架 構(gòu)來做修正.如

5、果需要高的品質(zhì)因子(Q) ,驅(qū)動和感應(yīng)的頻寬必須很窄.增加 1%的頻寬可 能降低 20%的信號輸出.還有阻尼大小也會影響信號輸出.一般的 MEMS 陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分和電容板形狀的傳感部分組成. 有的設(shè)計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結(jié)構(gòu).· mems陀螺儀的選用o 陀螺儀在選用時，必須注意被測參數(shù)的物理環(huán)境和必要的性能指標。具體要求分列如下：1.性能要求 .隨機漂移、隨機游走系數(shù)、輸出噪聲不同結(jié)構(gòu)形式、不同原理的陀螺儀的對漂移率定義和要求不同，機械式陀螺儀精度使用的是隨機漂移，陀螺儀使用的隨機游走系數(shù)。隨機漂移指由隨機的或不確定的有害力矩引起的漂移率。隨機游走系數(shù)由白噪聲產(chǎn)生的隨

6、時間累計的陀螺儀輸出誤差系數(shù)。單位: ?/h1/2、?/s1/2。輸出噪聲的單位：?/h/Hz1/2、?/s /Hz1/2 。輸出噪聲和隨機游走系數(shù)的關(guān)系如下：1?/h/Hz1/2=1?/60×h1/21?/s /Hz1/2=1?/s1/2MEMS 陀螺儀使用的輸出噪聲這個指標。并且一定要選定合適的帶寬，在能滿足使用要求的前提下，盡量選擇帶寬較低的陀螺儀，因為帶寬越大，輸出噪聲越大。.測量范圍選擇陀螺儀的量程時，應(yīng)注意以下幾點：最大輸入角速率陀螺儀正、反方向輸入角速率的最大值，在此輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀標度因數(shù)非線性滿足規(guī)定要求。.閾值陀螺儀能敏感的最小輸入角速率。由該輸入角速率產(chǎn)

7、生的輸出至少應(yīng)等于按標度因數(shù)所期望輸出值的50。單位：?/s、?/h。.分辨率陀螺儀在規(guī)定的輸入角速率下，能敏感的最小輸入角速率增量，至少應(yīng)等于按標度因數(shù)所期望輸出增量的50。單位：?/s、?/h。選擇陀螺儀的測量范圍時，最大的角速率是陀螺儀的量程的2/3，最小的角速率應(yīng)該高于閾值、分辨率。.標度因數(shù)陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。它是用某一特定直線的斜率表示的，該直線是根據(jù)整個輸入角速率范圍內(nèi)測得的輸入、輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。.標度因數(shù)非線性度在輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀輸出量相對于最小二乘法擬合直線的最大的偏差與最大輸出量之比。2.環(huán)境要求.溫度范圍要求，必須滿足陀螺儀使用的極限溫度。.線加速度與沖擊。必須滿足陀螺儀極限溫度.振動條件，分為正弦振動、隨機振動。3.基本物理參量主要指重量、體積、以及能源種類等方面的要求。4.可靠性和壽命。指的是抗沖擊、抗干擾的能力和有效的使用時間。· mems陀螺儀的安裝o 1. 首先要認清陀螺儀上面的標識代表為角速率陀螺儀