MEMS微陀螺儀研究進展

MEMS微陀螺儀研究進展一、本文概述隨著科技的不斷發(fā)展，微納傳感器在各類工業(yè)、科研以及消費領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其中，微陀螺儀作為一種關(guān)鍵的角速度傳感器，在導(dǎo)航、姿態(tài)控制、地震監(jiān)測等領(lǐng)域具有不可替代的作用。本文旨在全面綜述近年來MEMS（微機電系統(tǒng)）微陀螺儀的研究進展，通過對相關(guān)文獻的梳理和分析，展現(xiàn)該領(lǐng)域的研究成果、現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢。本文首先將對MEMS微陀螺儀的基本原理和分類進行簡要介紹，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。隨后，將重點分析當(dāng)前MEMS微陀螺儀在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制造工藝以及性能優(yōu)化等方面的最新研究成果，并探討這些成果在實際應(yīng)用中的潛力和挑戰(zhàn)。本文還將關(guān)注微陀螺儀的集成化、智能化和微型化的發(fā)展趨勢，并探討未來研究方向和應(yīng)用前景。通過對MEMS微陀螺儀研究進展的全面梳理和分析，本文旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和技術(shù)人員提供有價值的參考信息，推動微陀螺儀技術(shù)的進一步發(fā)展，并促進其在更多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。二、微陀螺儀設(shè)計原理微陀螺儀，即微型陀螺儀，是一種基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的慣性傳感器，用于測量和維持方向。其核心設(shè)計原理主要基于科里奧利力（Coriolisforce）的作用?？评飱W利力是一個在旋轉(zhuǎn)參考系中觀察到的慣性力，當(dāng)一個物體在旋轉(zhuǎn)參考系中沿某一方向直線運動時，會受到一個垂直于運動方向和旋轉(zhuǎn)軸方向的力，這個力就是科里奧利力。在微陀螺儀的設(shè)計中，一個關(guān)鍵部分是振動元件，它通常被設(shè)計成在某一方向上振動。當(dāng)微陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，振動元件受到的科里奧利力會導(dǎo)致其振動方向發(fā)生偏移，這個偏移量就是旋轉(zhuǎn)角速度的度量。通過檢測這個偏移量，我們就可以確定微陀螺儀的旋轉(zhuǎn)角速度。微陀螺儀的設(shè)計還涉及到許多復(fù)雜的工程問題，如振動元件的模態(tài)控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、噪聲抑制等。為了提高微陀螺儀的性能，設(shè)計者們需要綜合考慮這些問題，并采用先進的加工技術(shù)、材料科學(xué)和電路設(shè)計等手段，確保微陀螺儀的精度、穩(wěn)定性和可靠性。微陀螺儀的設(shè)計原理是基于科里奧利力的測量，通過振動元件的偏移量來確定旋轉(zhuǎn)角速度。在這個過程中，需要運用多種工程技術(shù)和科學(xué)知識，以確保微陀螺儀的性能達到最優(yōu)。隨著技術(shù)的進步，微陀螺儀在航空航天、汽車導(dǎo)航、消費電子等領(lǐng)域的應(yīng)用前景將越來越廣闊。三、微陀螺儀制造技術(shù)隨著微納技術(shù)的飛速發(fā)展，微陀螺儀的制造技術(shù)也在不斷進步。目前，微陀螺儀的制造主要涉及到精密機械加工、微電子加工、微細加工以及新型材料的應(yīng)用等多個領(lǐng)域。這些技術(shù)不僅為微陀螺儀的小型化、集成化和高精度提供了可能，也為其在航空航天、汽車電子、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。精密機械加工技術(shù)是微陀螺儀制造的基礎(chǔ)。通過采用超精密車削、超精密磨削、超精密研磨與拋光等技術(shù)，可以實現(xiàn)對微陀螺儀結(jié)構(gòu)件的高精度加工。同時，利用激光加工、電火花加工等特種加工技術(shù)，可以實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精確制造。微電子加工技術(shù)為微陀螺儀的集成化提供了有效的手段。通過采用薄膜沉積、光刻、刻蝕等微電子加工技術(shù)，可以在硅片上制造出微小的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)微陀螺儀的集成化制造。利用微電子加工技術(shù)還可以制造出具有特定功能的微型傳感器和微執(zhí)行器，提高微陀螺儀的性能。微細加工技術(shù)是實現(xiàn)微陀螺儀高精度制造的關(guān)鍵。通過采用微細電火花加工、微細激光加工、微細切削加工等技術(shù)，可以實現(xiàn)對微陀螺儀微小結(jié)構(gòu)的精確制造。這些技術(shù)不僅可以提高微陀螺儀的精度和穩(wěn)定性，還可以降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。新型材料的應(yīng)用為微陀螺儀的性能提升提供了可能。隨著新材料研究的深入，新型材料如陶瓷、高分子材料、復(fù)合材料等被廣泛應(yīng)用于微陀螺儀的制造中。這些材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以有效提高微陀螺儀的性能和可靠性。隨著微納技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，微陀螺儀的制造技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。未來，隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，微陀螺儀的性能和可靠性將得到進一步提升，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加廣泛。四、微陀螺儀性能優(yōu)化隨著微陀螺儀在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對其性能的要求也越來越高。因此，微陀螺儀的性能優(yōu)化成為了研究的重點。性能優(yōu)化主要包括提高精度、降低噪聲、提高穩(wěn)定性等方面。提高精度：精度是衡量微陀螺儀性能的重要指標(biāo)。為了提高精度，研究者們從材料、結(jié)構(gòu)、工藝等多個方面進行了優(yōu)化。例如，采用新型的高性能材料，如硅碳氮化物等，以提高微陀螺儀的機械性能和熱穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通過優(yōu)化敏感結(jié)構(gòu)、提高模態(tài)匹配度等方式，提高微陀螺儀的靈敏度。同時，采用先進的微納加工技術(shù)，如深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）、激光微加工等，實現(xiàn)微陀螺儀的高精度制造。降低噪聲：噪聲是影響微陀螺儀精度的主要因素之一。為了降低噪聲，研究者們采用了多種方法。一方面，通過優(yōu)化電路設(shè)計，降低電子噪聲。另一方面，通過改進封裝工藝，減少外部干擾。還有研究者提出采用主動噪聲控制技術(shù)，通過引入反饋機制，實時補償噪聲，從而有效降低微陀螺儀的噪聲水平。提高穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是微陀螺儀長期工作的關(guān)鍵。為了提高穩(wěn)定性，研究者們主要從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等方面進行了改進。例如，選用熱穩(wěn)定性好的材料，減少溫度對微陀螺儀性能的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，提高微陀螺儀的抗沖擊能力和抗振動能力。采用先進的封裝技術(shù)和環(huán)境適應(yīng)性測試，確保微陀螺儀在各種惡劣環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。微陀螺儀的性能優(yōu)化是一個綜合性的工作，需要從多個方面進行改進。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷發(fā)展，相信未來微陀螺儀的性能將得到進一步提升，為各領(lǐng)域的應(yīng)用提供更可靠的技術(shù)支持。五、微陀螺儀的應(yīng)用領(lǐng)域隨著微陀螺儀技術(shù)的不斷成熟與進步，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。微陀螺儀的高精度、小型化、低功耗等特性，使其在眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。航空航天領(lǐng)域：在航空航天領(lǐng)域，微陀螺儀是實現(xiàn)飛行器姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位的關(guān)鍵元件。由于其體積小、重量輕、可靠性高，微陀螺儀已成為現(xiàn)代衛(wèi)星、導(dǎo)彈、無人機等航空航天器的重要組成部分。汽車工業(yè)：在汽車工業(yè)中，微陀螺儀被廣泛應(yīng)用于車輛動態(tài)控制系統(tǒng)，如電子穩(wěn)定程序（ESP）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）等。微陀螺儀的高精度測量能力為車輛穩(wěn)定性控制和安全性提供了有力保障。消費電子：隨著智能手機、平板電腦等消費電子產(chǎn)品的普及，微陀螺儀在這些設(shè)備中的應(yīng)用也越來越廣泛。微陀螺儀能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的精確定位和手勢識別，提升了用戶的使用體驗。醫(yī)療健康：在醫(yī)療健康領(lǐng)域，微陀螺儀可用于制造微型醫(yī)療器械，如微型手術(shù)機器人、生理信號監(jiān)測設(shè)備等。其高精度的運動檢測和穩(wěn)定性控制為醫(yī)療診斷和治療提供了新的可能性。軍事領(lǐng)域：在軍事領(lǐng)域，微陀螺儀的小型化、高精度特性使其成為精確制導(dǎo)武器、無人偵察機、智能彈藥等軍事裝備的重要組件，為軍事行動的精確性和高效性提供了有力支持。微陀螺儀在航空航天、汽車工業(yè)、消費電子、醫(yī)療健康和軍事領(lǐng)域等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，微陀螺儀的應(yīng)用領(lǐng)域還將進一步擴大。六、研究進展與最新動態(tài)隨著科技的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)已成為當(dāng)代科技領(lǐng)域的重要研究熱點。作為MEMS技術(shù)的重要組成部分，微陀螺儀的研究與應(yīng)用也在逐步深入。近年來，全球科研團隊在微陀螺儀的研究上取得了顯著的進展和最新的動態(tài)，這些成果不僅推動了微陀螺儀的性能提升，還為未來的微納傳感器技術(shù)發(fā)展提供了強大的支撐。在微陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，研究者們不斷嘗試新的結(jié)構(gòu)和材料，以提高其靈敏度和穩(wěn)定性。例如，利用新型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，可以有效提高微陀螺儀的振動頻率和響應(yīng)速度，同時降低其噪聲水平。碳納米管、石墨烯等新型材料的引入，也為微陀螺儀的性能提升帶來了新的可能性。在微陀螺儀的制造工藝方面，隨著微納加工技術(shù)的不斷進步，微陀螺儀的制造精度和可靠性得到了顯著提升。尤其是近年來興起的納米壓印技術(shù)、深反應(yīng)離子刻蝕等先進制造技術(shù)，為微陀螺儀的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供了有力保障。在微陀螺儀的信號處理與控制技術(shù)方面，隨著微處理器和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，微陀螺儀的信號處理速度和精度得到了極大提高。通過引入先進的控制算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以有效提高微陀螺儀的測量精度和穩(wěn)定性，為其在航空航天、汽車導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。最新的動態(tài)顯示，微陀螺儀的研究與應(yīng)用正在不斷拓展。一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，微陀螺儀在智能家居、健康監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用前景日益廣闊。另一方面，隨著空間探索、深海探測等領(lǐng)域的不斷深入，對微陀螺儀的性能要求也越來越高。因此，未來的微陀螺儀研究將更加注重其小型化、低功耗、高可靠性等方面的提升。微陀螺儀的研究進展與最新動態(tài)展示了其在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、信號處理與控制技術(shù)等方面的顯著成就。隨著科技的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，微陀螺儀將在未來的科技發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。七、結(jié)論隨著科技的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)作為現(xiàn)代科技的代表之一，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，特別是在微陀螺儀的研究與應(yīng)用方面，已經(jīng)取得了顯著的進展。本文對MEMS微陀螺儀的研究進展進行了全面的綜述，探討了其基本原理、主要類型、關(guān)鍵技術(shù)、性能提升、應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢。我們回顧了微陀螺儀的基本原理和類型，包括其工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要分類。這些基礎(chǔ)知識為我們理解微陀螺儀的性能和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。我們深入探討了微陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)，如結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、加工工藝等。這些技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新對于提高微陀螺儀的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。接著，我們分析了微陀螺儀的性能提升方法，包括誤差補償、溫度補償、動態(tài)范圍擴大等。這些方法的應(yīng)用可以有效地提高微陀螺儀的測量精度和可靠性。我們還介紹了微陀螺儀在各個領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，包括航空航天、汽車制造、消費電子等。這些應(yīng)用展示了微陀螺儀在現(xiàn)實生活中的重要性和價值。我們展望了微陀螺儀的未來發(fā)展趨勢，包括新材料的應(yīng)用、新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計、集成化和智能化的發(fā)展趨勢等。這些趨勢預(yù)示著微陀螺儀將在未來發(fā)揮更大的作用，推動相關(guān)領(lǐng)域的科技進步。MEMS微陀螺儀作為一種重要的微機電系統(tǒng)器件，其研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進展。未來，隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，微陀螺儀的性能和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步擴大和提升，為人類社會帶來更多的便利和發(fā)展機遇。參考資料：隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的飛速發(fā)展，陀螺儀在慣性導(dǎo)航、姿態(tài)傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。然而，受到工藝、材料等因素的影響，MEMS陀螺儀在使用過程中會出現(xiàn)隨機誤差，如漂移、噪聲等，對其精度和穩(wěn)定性造成不利影響。為了解決這一問題，隨機誤差濾波技術(shù)被引入到MEMS陀螺儀中，取得了顯著的成效。在MEMS陀螺儀中，隨機誤差的產(chǎn)生主要有兩方面原因。一方面是工藝和材料的不完善，導(dǎo)致陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)、敏感器件的特性存在差異；另一方面是外部環(huán)境的干擾，如溫度、濕度、壓力等，使得陀螺儀的輸出信號中混入噪聲。針對這些隨機誤差，常見的濾波方法主要有卡爾曼濾波、最小二乘濾波和自適應(yīng)濾波等?？柭鼮V波是一種經(jīng)典的線性最優(yōu)濾波方法，能夠?qū)崟r處理帶有噪聲的輸入信號，并通過對信號的預(yù)測和更新，得到最優(yōu)估計結(jié)果。在MEMS陀螺儀中，卡爾曼濾波器可以用于估計陀螺儀的漂移和噪聲，提高其測量精度。最小二乘濾波是一種非線性濾波方法，通過最小化誤差的平方和來求解最優(yōu)估計值。在MEMS陀螺儀中，最小二乘濾波器可用于陀螺儀輸出信號的平滑處理，有效降低噪聲對測量結(jié)果的影響。自適應(yīng)濾波是一種先進的濾波技術(shù)，能夠根據(jù)輸入信號的變化自動調(diào)整濾波器的參數(shù)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。在MEMS陀螺儀中，自適應(yīng)濾波器可根據(jù)陀螺儀輸出的實時信號調(diào)整濾波器的參數(shù)，有效抑制各種隨機誤差，提高陀螺儀的測量精度和穩(wěn)定性。MEMS陀螺儀隨機誤差濾波技術(shù)是實現(xiàn)更高精度測量和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過對卡爾曼濾波、最小二乘濾波和自適應(yīng)濾波等濾波方法的應(yīng)用，可以有效地減小隨機誤差對MEMS陀螺儀的影響，提高其性能指標(biāo)。未來隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展，隨機誤差濾波技術(shù)將會更加成熟和高效，為MEMS陀螺儀的應(yīng)用和發(fā)展提供更為廣闊的前景。微機械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。微機械陀螺儀（MEMSgyroscope）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。但是微機械陀螺儀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。微機械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(dǎo)出科里奧利力的方法。有力學(xué)知識的讀者應(yīng)該不難理解。在空間設(shè)立動態(tài)坐標(biāo)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、科里奧利加速度和切向加速度。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。（圖二）MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動（有點像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（就像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。圖三是2軸MEMS陀螺儀。它采用了閉合回路、數(shù)字輸出和傳感器芯片跟ASIC芯片分開平放連線的封裝方法。來自（BOSCHSMG070原理圖）微機械陀螺儀的設(shè)計和工作原理可能各種各樣，但是公開的微機械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(dǎo)和探測科里奧利力而設(shè)計的微機械陀螺儀沒有旋轉(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)微機械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(xué)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(dǎo)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)微機械陀螺儀驅(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。（圖五(a)）還有阻尼大小也會影響信號輸出。（圖五(b)）一般的微機械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分（圖六）和電容板形狀的傳感部分組成（圖八）。有的設(shè)計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。（圖九）MEMS陀螺儀的重要參數(shù)包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出（零位輸出）、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍。這些參數(shù)是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標(biāo)志，同時也決定陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境。分辨率是指陀螺儀能檢測的最小角速度，該參數(shù)與零角速度輸出其實是由陀螺儀的白噪聲決定。這三個參數(shù)主要說明了該陀螺儀的內(nèi)部性能和抗干擾能力。對使用者而言，靈敏度更具有實際的選擇意義。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的最大角速度。不同的應(yīng)用場合對陀螺儀的各種性能指標(biāo)有不同的要求。單軸和雙軸MEMS角速度傳感器（陀螺傳感器）新產(chǎn)品群。該系列主要用于游戲機、輸入設(shè)備、導(dǎo)航儀、PND（PortableNavigationDevice）及數(shù)碼相機等。單軸產(chǎn)品可檢測偏擺方向。雙軸產(chǎn)品備有可檢測俯仰方向及滾轉(zhuǎn)方向的品種，以及可檢測俯仰方向及偏擺方向的品種?？蓹z測的角速度因品種而異，最大為30～6000度/秒。輸出為模擬信號。各產(chǎn)品備有對各軸信號進行1倍（無放大）輸出和放大至4倍的兩個端口。降低了溫度誤差以及隨時間變化的誤差。零點溫度漂移為05度/秒/℃。噪聲方面，可檢測的角速度為最大30度/秒的品種控制在了014度/秒/√Hz。電源電壓范圍為+7～6V。封裝采用5mm×5mm×5mm的16端子LGA。工作溫度范圍為－40～+85℃。根據(jù)近幾年國內(nèi)文獻，我國在慣性導(dǎo)航中應(yīng)用研究中的陀螺儀按結(jié)構(gòu)構(gòu)成大致可以分為三類：機械陀螺儀，光學(xué)陀螺儀，微機械陀螺儀。機械陀螺儀指利用高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性來測量載體正確方位的角傳感器。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來，人們探索過很多種機械陀螺儀，液浮陀螺、動力調(diào)諧陀螺和靜電陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，精度在10E-6度/小時～10E-4度/小時范圍內(nèi)，達到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。在1965年，我國的清華大學(xué)首先開始研制靜電陀螺，應(yīng)用背景是“高精度船用INS”。1967-1990，清華大學(xué)、常州航海儀器廠、上海交通大學(xué)等合作研制成功了靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小于5°/h，隨機漂移誤差小于001°/h，中國和美國、俄羅斯并列成為世界上掌握靜電陀螺技術(shù)的國家。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光陀螺，光纖陀螺應(yīng)運而生。與激光陀螺儀相比較，光纖陀螺儀成本較低，比較適合批量生產(chǎn)。我國光纖陀螺的研究起步較晚，但已經(jīng)取得了很多可喜的成績。航天科工集團、航天科技集團、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。根據(jù)掌握的信息看，國內(nèi)的光纖陀螺研制精度已經(jīng)達到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術(shù)甚至達到了國外同類產(chǎn)品的水平。從20世紀(jì)開始，由于電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展，使微機電陀螺成為現(xiàn)實。從20世紀(jì)90年代以來，微機電陀螺已經(jīng)在民用產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用，部分應(yīng)用在低精度的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品中。我國微機電陀螺的研究開始于1989年，已經(jīng)研制出數(shù)百微米大小的靜電電機和3mm的壓電電機。清華大學(xué)的導(dǎo)航與控制教研組的陀螺技術(shù)十分成熟，并已經(jīng)掌握微機械與光波導(dǎo)陀螺技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)做出了微型陀螺儀樣機，并取得了一些數(shù)據(jù)。東南大學(xué)精密儀器與機械系科學(xué)研究中心也不斷進行關(guān)鍵部件、微機械陀螺儀和新型慣性裝置與GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)研究，滿足了軍民兩用市場的需要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相比于靜電陀螺的高成本，成本較低的光纖陀螺和微機械陀螺的精度越來越高，是未來陀螺技術(shù)的發(fā)展總趨勢。微機械陀螺儀用于測量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。所謂主動控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現(xiàn)汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍尚未發(fā)生時及時糾正這個異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對個異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。比如在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度就知道方向盤打得過多還是不夠，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當(dāng)?shù)膭x車以防止汽車脫離車道。這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。在汽車MEMS市場，壓力計和加速度計還是占較大份額，（圖十四）但是隨著對汽車安全性能要求越來越高，尤其是在北美和歐洲穩(wěn)定性主控系統(tǒng)的安裝率節(jié)節(jié)攀升，陀螺儀的市場增長率明顯比前兩類要快，在2011年預(yù)期達到10%。微機械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。微機械陀螺儀（MEMSgyroscope）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。但是微機械陀螺儀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。微機械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(dǎo)出科里奧利力的方法。有力學(xué)知識的讀者應(yīng)該不難理解。在空間設(shè)立動態(tài)坐標(biāo)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、科里奧利加速度和切向加速度。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。（圖二）MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動（有點像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（就像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。圖三是2軸MEMS陀螺儀。它采用了閉合回路、數(shù)字輸出和傳感器芯片跟ASIC芯片分開平放連線的封裝方法。來自（BOSCHSMG070原理圖）微機械陀螺儀的設(shè)計和工作原理可能各種各樣，但是公開的微機械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(dǎo)和探測科里奧利力而設(shè)計的微機械陀螺儀沒有旋轉(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)微機械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(xué)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(dǎo)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)微機械陀螺儀驅(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。（圖五(a)）還有阻尼大小也會影響信號輸出。（圖五(b)）一般的微機械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分（圖六）和電容板形狀的傳感部分組成（圖八）。有的設(shè)計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。（圖九）MEMS陀螺儀的重要參數(shù)包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出（零位輸出）、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍。這些參數(shù)是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標(biāo)志，同時也決定陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境。分辨率是指陀螺儀能檢測的最小角速度，該參數(shù)與零角速度輸出其實是由陀螺儀的白噪聲決定。這三個參數(shù)主要說明了該陀螺儀的內(nèi)部性能和抗干擾能力。對使用者而言，靈敏度更具有實際的選擇意義。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的最大角速度。不同的應(yīng)用場合對陀螺儀的各種性能指標(biāo)有不同的要求。單軸和雙軸MEMS角速度傳感器（陀螺傳感器）新產(chǎn)品群。該系列主要用于游戲機、輸入設(shè)備、導(dǎo)航儀、PND（PortableNavigationDevice）及數(shù)碼相機等。單軸產(chǎn)品可檢測偏擺方向。雙軸產(chǎn)品備有可檢測俯仰方向及滾轉(zhuǎn)方向的品種，以及可檢測俯仰方向及偏擺方向的品種。可檢測的角速度因品種而異，最大為30～6000度/秒。輸出為模擬信號。各產(chǎn)品備有對各軸信號進行1倍（無放大）輸出和放大至4倍的兩個端口。降低了溫度誤差以及隨時間變化的誤差。零點溫度漂移為05度/秒/℃。噪聲方面，可檢測的角速度為最大30度/秒的品種控制在了014度/秒/√Hz。電源電壓范圍為+7～6V。封裝采用5mm×5mm×5mm的16端子LGA。工作溫度范圍為－40～+85℃。根據(jù)近幾年國內(nèi)文獻，我國在慣性導(dǎo)航中應(yīng)用研究中的陀螺儀按結(jié)構(gòu)構(gòu)成大致可以分為三類：機械陀螺儀，光學(xué)陀螺儀，微機械陀螺儀。機械陀螺儀指利用高速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性來測量載體正確方位的角傳感器。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來，人們探索過很多種機械陀螺儀，液浮陀螺、動力調(diào)諧陀螺和靜電陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，精度在10E-6度/小時～10E-4度/小時范圍內(nèi)，達到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。在1965年，我國的清華大學(xué)首先開始研制靜電陀螺，應(yīng)用背景是“高精度船用INS”。1967-1990，清華大學(xué)、常州航海儀器廠、上海交通大學(xué)等合作研制成功了靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小于5°/h，隨機漂移誤差小于001°/h，中國和美國、俄羅斯并列成為世界上掌握靜電陀螺技術(shù)的國家。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，激光陀螺，光纖陀螺應(yīng)運而生。與激光陀螺儀相比較，光纖陀螺儀成本較低，比較適合批量生產(chǎn)。我國光纖陀螺的研究起步較晚，但已經(jīng)取得了很多可喜的成績。航天科工集團、航天科技集團、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。根據(jù)掌握的信息看，國內(nèi)的光纖陀螺研制精度已經(jīng)達到了慣導(dǎo)系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術(shù)甚至達到了國外同類產(chǎn)品的水平。從20世紀(jì)開始，由于電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展，使微機電陀螺成為現(xiàn)實。從20世紀(jì)90年代以來，微