MEMS陀螺仪简介剖析

MEMS陀螺仪简介MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪基本概念MEMS陀螺仪原理与器件MEMS陀螺仪测试与应用陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。按照制作原理及结构可将其大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪三类。1.陀螺仪基本概念各种原理的陀螺仪微机械陀螺仪是高新技术产物，具有体积小、功耗低等多种优势，在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景。其成本低，能批量生产，目前已经能够广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等低成本需求应用中。体积微小的微机械陀螺仪1.1MEMS陀螺仪现在广泛使用的MEMS陀螺仪可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺仪相比传统的陀螺仪有明显的优势：1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。2、低成本。3、高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。4、低功耗。5、大量程。适于高转速大g值的场合。6、易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。MEMS陀螺仪原理与器件MEMS陀螺仪基本原理MEMS陀螺仪结构MEMS陀螺仪分类MEMS陀螺仪性能参数MEMS陀螺仪选用MEMS陀螺仪工艺方法2.1MEMS陀螺仪基本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。MEMS陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。在空间设立动态坐标系。用以下方程计算加速度可以得到三项，分别是来自径向加速度、科里奥利加速度和切向加速度。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陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，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震荡，相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点象加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就象加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。这种结构由两个振动并不断地做反向运动的物体组成，如图所示。当施加角速率Ω时，每个物体上的科里奥利效应产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号；如果是数字陀螺仪，则转换成最低有效位。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同一方向运动。因此，不会检测到电容变化。陀螺仪将输出零速率输出值或最低有效位，表示MEMS陀螺仪对倾斜、撞击或振动等线性加速度不敏感。MEMS陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样,但是公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致，以实现最大可能的能量转移，从而获得最大灵敏度。大多数MEMS陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配，它对系统的振动参数变化极其敏感，而这些系统参数会改变振动的固有频率，因此需要一个好的控制架构来做修正。如果需要高的品质因子(Q)，驱动和感应的频宽必须很窄。增加1%的频宽可能降低20%的信号输出。还有阻尼大小也会影响信号输出。2.2MEMS陀螺仪结构梳子结构的驱动部分电容板形状的传感部分一般的微机械陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成。有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。传感耦合的结构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。微机械陀螺分类按驱动方式按检测方式压电式静电式电磁式压电检测电容检测压阻式检测光学检测隧道效应检测按工作模式速率陀螺速率积分陀螺闭环模式开环模式整角模式2.3MEMS陀螺仪分类2.4MEMS陀螺仪性能参数MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（Sensitivity）和测量范围。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。这几个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。对使用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。2.5MEMS陀螺仪的选用陀螺仪在选用时，必须注意被测参数的物理环境和必要的性能指标。具体要求分列如下：1.性能要求⑴随机漂移、随机游走系数、输出噪声随机漂移——指由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。随机游走系数——由白噪声产生的随时间累计的陀螺仪输出误差系数。不同结构形式、不同原理的陀螺仪对漂移率定义和要求不同，机械式陀螺仪精度使用的是随机漂移，光纤陀螺仪使用的随机游走系数。MEMS陀螺仪使用的输出噪声这个指标。并且一定要选定合适的带宽，在能满足使用要求的前提下，尽量选择带宽较低的陀螺仪，因为带宽越大，输出噪声越大。2.5MEMS陀螺仪的选用⑵测量范围选择陀螺仪的量程时，应注意：最大输入角速率——陀螺仪正、反方向输入角速率的最大值，在此输入角速率范围内，陀螺仪标度因数非线性满足规定要求。⑶阈值——陀螺仪能敏感的最小输入角速率。由该输入角速率产生的输出至少应等于按标度因数所期望输出值的50％。⑷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％。选择陀螺仪的测量范围时，最大的角速率是陀螺仪的量程的2/3，最小的角速率应该高于阈值、分辨率。⑸标度因数——陀螺仪输出量与输入角速率的比值。它是用某一特定直线的斜率表示的，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，用最小二乘法拟合求得。⑹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与最大输出量之比。2.5MEMS陀螺仪的选用2.环境要求⑴温度范围要求，必须满足陀螺仪使用的极限温度。⑵线加速度与冲击，必须满足陀螺仪极限温度⑶振动条件，分为正弦振动、随机振动。3.基本物理参量主要指重量、体积、功率以及能源种类等方面的要求。4.可靠性和寿命。指的是抗冲击、抗干扰的能力和有效的使用时间。具体的常用MEMS器件加工工艺方法：具体的刻蚀技术主要有光刻、湿法刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等，一般用来制作MEMS陀螺仪结构；主要的加工工艺有分子束外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀等技术用以加速度敏感部件及相应的电极和引线的制作；键合技术用于敏感部件与陀螺仪结构之间的连接。划片和封装技术用于微陀螺仪结构及敏感部件组合体单体分离及外部连接引线制作等，完成微陀螺仪基本器件制作。2.6MEMS陀螺仪的工艺方法与其它陀螺仪一样，完成微机械陀螺仪的陀螺体的制作只是完成了整个MEMS陀螺仪研究工作的一部分。还有陀螺仪信号提取与校准，灵敏度测试、量程测试、线性度测试、固有频率测试、抗过载能力测试等各种性能的测试。3.MEMS陀螺仪的测试及应用3.1MEMS陀螺仪的校准每个陀螺仪在出厂前都经过严格的性能测试以及灵敏度和零速率输出值校准。不过，当陀螺仪组装到印刷电路板后，因为机械或电焊应力的影响，零速率输出值和灵敏度可能会略微偏离工厂校准调试值。对于游戏机和遥控器等应用，设计人员只要用数据表中的典型零速率和灵敏度参数，即可把陀螺仪的测量信号转换成角速率。对于要求严格的应用，设计人员需要重新校准陀螺仪的零速率输出值、灵敏度和以下重要参数:失准(又称跨轴灵敏度)、线性加速度灵敏度或g-灵敏度、长期运行偏差稳定性、导通-导通偏差稳定性、长时间工作后偏差和灵敏度漂移。3.1MEMS陀螺仪的校准1.消除零速率不稳定性为修正导通-导通偏差不稳定性，在陀螺仪上电后，用户可以采集50～100个输出数据样本，取这些样本的平均值作导通零速率输出值，假设该陀螺仪是静止状态。因为温度变化和测量噪声，当陀螺仪是静止状态时，陀螺仪的每次读数可能略有不同。设定一个阈值，如果陀螺仪测量值的绝对值小于阈值，则使陀螺仪的读数归零。这个方法将消除零速率噪声，当陀螺仪静止时，角位移不会累加。每当陀螺仪静止时，用户可以采集50～100个陀螺仪数据，然后取这些样本的平均值作为零速率输出值。这个方法可以消除零速率运行偏差和微小温度变化。thR0R0R3.1MEMS陀螺仪的校准2.使用角速率测量台确定灵敏度因为陀螺仪能够直接测量角速率，所以角速率测量台是校准陀螺仪灵敏度的最佳参考标准。在一个精确角速率测量台内有一个内嵌温度单元。为了确保在校准陀螺仪过程中角速率测量台不受环境振动的影响，角速率测量台被置于一个振动隔离平台之上。把手持设备置于一个正方体的铝盒或塑料盒内，然后把整个系统安装在角速率测量台上进行校准。使角速率测量台沿顺时针和逆时针两个不同方向旋转。如果被校准的是多轴陀螺仪，把方正形测试盒置于角速率测量台上的不同方位，然后重复上面的校准过程。收集完陀螺仪在不同状况下的原始数据后，即可确定零速率输出值、灵敏度、失准矩阵和g灵敏度值。校准陀螺仪还可以选用步进电机旋转测量台，用一台个人电脑控制步进电机旋转测量台。3.1MEMS陀螺仪的校准3.使用数字罗盘确定灵敏度如果没有角速率测量台，可以使用数字罗盘代替角速率测量台。在校准陀螺仪前，需要校准数字罗盘的倾斜度，然后将其置于周围没有干扰磁场的平台上。合并在固定采样间隔内采集的数字罗盘相对方向信息和陀螺仪输出数据，按公式校准陀螺仪的灵敏度。振动台检测电路示波器高精度万用表控制主机陀螺检测方向振动台检测电路示波器高精度万用表控制主机陀螺检测方向振动台测试原理图3.2MEMS陀螺仪的测试•固有特性测试•陀螺特性测试•柯氏效应检测固有频率检测方向Q值检验敏感原理测试线性度测试内容三轴转台测试验证检测原理3.2MEMS陀螺仪的测试1、包括微机械陀螺仪应用在内的MEMS，力学参数较宏观情况明显变化，宏观物理定律已经不能完全对MEMS的设计、制造工艺、封装以及应用进行解释和指导。这些因素限制妨碍了微机械陀螺仪性能的提高。2、随着MEMS传感器尺寸的缩小，敏感部件也不断缩小，传统检测效应接近灵敏度极限，限制了高性能MEMS陀螺仪的发展，新效应新原理器件亟待开发。3、国内方面工艺和技术都相对落后，国外方面技术封锁限制了高性能器件结构的制作；微弱信号检测技术有待提高，信号处理能力仍有待加强。3.3MEMS陀螺仪的技术难点微机械陀螺体积小、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。3.4MEMS陀螺仪的应用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，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。3.4MEMS陀螺仪的应用MEMS陀螺仪在汽车上的应用：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