MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪介绍小组成员：李月国玉鸿贺强贺亚强霍震微传感器|微执行器MEMS陀螺仪功能及用途MEMS陀螺仪应用及发展趋势音叉调谐微机械陀螺仪介绍MEMS陀螺仪工作原理目录CONTENTS1MEMS陀螺仪功能及用途惯性平台惯性稳定平台由于能够隔离载体(导弹、飞机、战车及舰船)的运动干扰，不断调整平台的姿态和位置的变化，精确保持动态姿态基准。姿态平衡由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，所以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行。电子设备陀螺仪应用于数码相机、数码摄像机中，则可以实现防抖功能，使拍摄的照片、录像更加清晰、真实。也用于手机定位和手机游戏操控。MEMS陀螺仪即硅微机电陀螺仪，绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS陀螺仪介绍MEMS陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成与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:1.体积小、重量轻，其边长都小于1mm，器件核心的重量仅为1.2mg;2.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受1000g的冲击;3.测量范围大;4.成本低.MEMS陀螺仪的特点2MEMS陀螺仪工作原理MEMS陀螺仪工作原理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.下面是导出科里奥利力的方法: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,分别来自径向加速,科里奥利加速度和向心加速度.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.3音叉调谐微机械陀螺仪介绍微机械陀螺仪器件12结构振梁结构双框架结构平面对结构横向音叉结构梳状音叉结构梁岛结构等参考振动的驱动方式有静电驱动压电驱动电磁驱动等附加振动的检测方式电容检测压电检测压阻检测光学检测等根据驱动与检测方式①静电驱动，电容检测②电磁驱动，电容检测③电磁驱动，压阻检测④压电驱动，电容检测。34TFG的工作原理TFG陀螺由一悬空于玻璃基片上的硅结构组成。在玻璃基片上沉积了一层金属，用此作为电路接口。硅结构有两惯性质量块，由梁结构顺序支撑,梁固定在玻璃基片的固定点上。在外驱动质量块上施加电压，两质量块在静电力作用下产生横向、平面内的振荡运动。沿输入轴作用的角速度Ω垂直于质量块的运动速度矢量，由此产生的哥氏力将质量块中的一块推出运动平面，另一块推进运动平面，如图1中的F1与F2。由于两质量块的瞬时速度矢量大小相等且方向相反，所以哥氏力将引起反向平行运动。其合成运动被两质量块下两片电容片所测得，输出一个与输入角速度成比例的信号。用与电容片相似的反平衡电极产生图一：TFG的工作原理平衡力提供给惯性质量，使其处于零位附近，便构成了闭环控制。但在许多应用项目中用开环就足够了。TFG的加工方法TFG采用溶解晶片工艺生产，如图2所示。在膜片1步骤中，给涂漆的硅晶片上蚀刻出凹槽来确定玻璃上硅片的高度和旋转电容敏感片的缝隙。接下来是硼扩散步骤，它可确定结构的厚度。结构的形状特征由膜片2确定，微机械加工采用活性离子蚀刻（RIE）工艺。玻璃晶片被单独处理，膜片3确定了玻璃凹槽和金属电极形状。硅晶片被倒置并粘接在玻璃晶片，由热、压强和静电场合成作用于硅片的硅原子和玻璃中的氧原子，形成较强的化学粘接，最后蚀刻溶解出未涂漆硅并剩下独立器件。在一个晶片上可制作出几百个敏感器。4MEMS陀螺仪应用及发展趋势MEMS陀螺仪应用●MEMS陀螺仪能够测量角速率。数码相机使用陀螺仪检测人手的旋转运动，能够对图像起到稳定的作用。在汽车上，偏航陀螺仪可以开启电子稳定控制（ESC）制动系统，防止汽车急转弯时发生意外事故。当汽车出现翻滚状况时，滚转陀螺仪可以引爆安全气囊。●当汽车导航系统无法接收GPS卫星信号时，偏航陀螺仪能够测量汽车的方位，使汽车始终沿电子地图的规划路线行驶，这个功能被称之为航位推测系统。●偏航陀螺仪还能用于室内机器人控制。安装在机器人四肢上的多路惯性测量单元(IMU)能够跟踪和监测身体运动。●IMU可用于空中鼠标。IMU还能用于运动控制式游戏平台。●IMU配合磁力计和GPS接收器，可以在手持设备上执行个人导航功能。MEMS陀螺仪器件发展趋势MEMS陀螺仪在过去几年受到了人们的广泛关注，但由于多方面的原因，它没有像微加速度计那样在市场上大量应用。这从另外一个方面表明了开发和应用MEMS陀螺仪的潜力是很大的，因此应积极开展微机械惯性器件的研制，围绕关键技术、材料、特殊工艺和微型设计等方面进行研制。今后MEMS陀螺仪的主要研究内容为：①进一步研究微机械振动陀螺仪的结构及电路的优化设计，实现惯性级高性能的要求，其中高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测试电路是提高微机械陀螺仪的关键所在；②研究微机械振动陀螺仪的体加工和表面加工技术；③研究电路的模块设计及加工技术；④完善微机械振动陀螺系统的封装及测试标定。MEMS陀螺仪的发展方向是集成化的惯性测量单元，即将惯性计和测试电路集成在一起的测量系统，另外还应加强微米/纳米技术的研究，只有这样才能真正实现微机械惯性器件的单片集成优势。我们应从根本上改变惯性器件的型式，密切跟踪世界高新技术，迎头赶上世界先进水平。THANKyou微传感器|微执行器