微机械陀螺简述,微惯性技术

LOGO微机械陀螺简述LOGOContents微机械陀螺仪基本概念微机械陀螺仪基本原理微机械陀螺仪基本性能指标微机械陀螺仪发展概述微机械陀螺仪应用LOGO1、微机械陀螺仪基本概念微机械陀螺特点微机械陀螺分类基本概念及组成LOGO1.1基本概念及组成陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。微机械陀螺仪(MEMSgyroscope)主要有转子式、振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。由于工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易，因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。目前，微机械陀螺基本都是振动式的，因此本文将着重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成。LOGO1.2微机械陀螺特点MEMS陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成和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，它主要特点是优点：1.体积小、重量轻、功耗低。2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击。4.测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s缺点：目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。LOGO1.2微机械陀螺特点MEMS陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成和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，它主要特点是优点：1.体积小、重量轻、功耗低。2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击。4.测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s缺点：目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。LOGO1.3微机械陀螺分类微机械陀螺分类按振动结构按材料按加工方式旋转振动结构线性振动结构振动盘结构陀螺旋转盘结构陀螺正交线振动结构非正交线振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构加速度计振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构单晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料体微机械加工表面微机械加工LIGA(光刻、电铸和注塑)LOGO1.3微机械陀螺分类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LOGO2、微机械陀螺基本原理柯氏加速度及柯氏力振动式微机械陀螺基本原理LOGO2.1振动式微机械陀螺基本原理微机械陀螺的基本原理式利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。柯氏加速度只有当线速度与转速同时存在时才会出现，因此为测量柯氏加速度需使加速度传感器跟随物体旋转的同时运动起来。实现的最简单方法就是谐振，即施加激励使加速度传感器做往复运动。由于柯氏力正比于驱动谐振的运动频率，因此希望谐振频率和振幅越大越好。LOGO2.2柯氏效应与柯氏力柯氏效应即coriolis效应，最早用来表述由于地球自转引起的物体运动方向发生偏折的自然现象，如大气涡旋方向，河流两岸冲刷程度不一等。在微机械陀螺基本原理中本质相同，但旋转体不再是地球而是陀螺仪本身。柯氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进行判断ωVacLOGO2.2柯氏效应与柯氏力ωV柯氏加速度分析ωVt0=VVt1=VΔVtα=ωtΔVt=2Vsin(ωt/2)002sin2limlimtttttVVaVtt径向分析LOGO2.2柯氏效应与柯氏力ωV柯氏加速度分析ωVr0=r0ωα=ωtVr1=r1ωΔVr切向分析ΔVr=Vr1-Vr21000limlimrrttVrraVttLOGO2.2柯氏效应与柯氏力柯氏加速度分析柯氏加速度：ac=at+ar=2VωωVr0=r0ωα=ωtVr1=r1ωΔVr切向分析ωVt0=VVt1=VΔVtα=ωt径向分析由于对时间取极限t→0两个加速度方向相同LOGO2.2柯氏效应与柯氏力根据以上分析验证了“柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量”ωVac下面将利用前面分析的柯氏加速度的方法解释一自然现象——傅科摆。同时发现：柯氏加速度正比于运动速度和旋转角速度。ac=2VωLOGO2.2柯氏效应与柯氏力傅科摆是法国物理学家傅科（J.B.L.Foucault）1851年在巴黎国葬院的圆拱屋顶上悬挂的一个摆长约67米、摆锤重28千克的大单摆。随着每一次摆动，地上巨大的沙盘便留下摆锤运动的痕迹LOGO2.2柯氏效应与柯氏力仅受引力和吊线张力作用而在惯性空间固定平面内运动的摆叫傅科摆。傅科摆模型根据柯氏效应原理可以解释傅科摆运动。LOGO2.2柯氏效应与柯氏力ωyxacVVac解释傅科摆原理前先看运动一个二维模型可简单理解为小球运动轨迹被柯氏力拉弯LOGO2.2柯氏效应与柯氏力yxzωV将地球建立直角坐标系，并假设地球北半球某处有一运动的傅科摆，摆子切向线速度为V，方向如图，设地球自转角速度为ω。下面将利用柯氏效应对这一现象进行解释。LOGO2.2柯氏效应与柯氏力yxzωVyxzVVxVyVzac1ac2xzyVxVzVVyacLOGO2.2柯氏效应与柯氏力初始速度和位置的不同将会引起运动轨迹的不同。并且傅科摆在地球两极摆幅最大现象最为明显，在赤道上几乎没有现象。为什么？LOGO2.2柯氏效应与柯氏力yxzωV赤道和两极傅科摆分析xzxyaxVVxVzacVVxVzVVax≠0ay=0az=0ax≠0ay≠0az=0LOGO2.2柯氏效应与柯氏力ωyx上面的例子与微机械陀螺之间的关系？acVLOGO3、微机械陀螺基本性能指标非线性度标度因数阈值随机漂移分辨率性能指标测量范围LOGO性能指标随机漂移――指由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。测量范围——陀螺仪的量程阈值――陀螺仪能敏感的最小输入角速率。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％。标度因数――陀螺仪输出量和输入角速率的比值。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和最大输出量之比。LOGO4、微机械陀螺发展概述微机械陀螺以体积小、成本低、抗过载能力强等优势，可应用于导航、制导、汽车、电子玩具等领域，成为世界各国研究的热点。10-410-2110210410-11101102103104角速度[°/sec]地球转速：4.2×10-3°/sec带宽[Hz]陀螺性能导航设备医疗应用头戴显示设备定点设备平台稳定主动悬浮体汽车安全智能弹药LOGO微机械陀螺国内外研究现状国外：如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国DaimlerBenz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。国内：有北京大学、清华大学、复旦大学、哈尔滨工业大学、中科院上海微系统所、中北大学等，都对陀螺进行了深入的研究，取得了一定的成果，但无商业化产品，处于研究阶段。LOGO德国Bosch公司谐振方向谐振方向柯氏力方向加速度传感器质量块电流回路加速度传感器键合电流回路加速度传感器折叠弹性梁芬兰赫尔辛基工业大学土耳其安卡拉中东科技大学日本MurataMfg.Co美国Michigan大学LOGO单位结构特点检测机理灵敏度/分辨率噪声/漂移美国Michigan大学振动环式电容检测25Hz带宽下分辨率0.5/s7.2/h日本MurataMfg.Co独立梁式电容驱动电容检测25Hz带宽下分辨率0.07/s/土耳其安卡拉中东科技大学电容驱动3mm×3mm电容检测真空24mV/º/s大气100μV/º/s/芬兰赫尔辛基工业大学框架式角振动电容检测信噪比51.6dB德国Bosch公司双质量块电磁驱动电容检测18mV//s量程为100º/s国外微机械陀螺的特点与性能指标151//hHzLOGO北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所LOGO单位结构特点检测机理灵敏度噪声/漂移北大谐振式电容检测22mv/°/s清华角振动电容检测1.9mV/°/s/复旦双质量块电容驱动压阻检测电桥输出0.22μV/°/s/中科院双质量块电磁驱动电容检测9.8mV/°/s中北大学谐振式电容检测0.7mV/°/s国内微机械陀螺的特点与性能指标72//hHz67//hHzLOGO从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如下：1、机械结构：圆环、独立梁、框架、双质量块2、驱动方式：电容驱动的多3、检测方式：电容检测的多4、使用的材料：都是Si基，灵敏度mV级LOGO5、微机械陀螺应用微机械陀螺目前精度在10-2°/h左右，还将进一步提高到10-3°/h。随着先进的微电子技术的发展，预计微机械陀螺的价格将会在一美元到几百美元之间。其低廉的价格使其具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。LOGO智能手机中汽车中空中无线鼠标中数码相机中智能机器人中应用举例LOGO应用前景展望在MEMS中还存在着大量具有挑战性的力、磁、电等问题需要研究,对这些问题的有效解决则将会加快推动微机械陀螺仪技术的发展1、应用比重增大2、仍然面临挑战过去几十年内，在汽车工业需求的推动下,微陀螺技术取得了长足进展，随着对传感器小型化、集成化的应用需求，其在应用领域中的比重将会不断增大。LOGOLOGO表面工艺制作的微结构体硅工艺制作的微结构LOGO压电驱动静电驱动电容检测电磁驱动压阻检测隧道效应检测