mems陀螺儀的原理(共4頁(yè))

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(dòng)量守恒原理, 因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)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?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底 上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)的讀者應(yīng) 該不難理解.在空間設(shè)立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系(圖一).用以下方程計(jì)算加速度可以得到三項(xiàng),分別來(lái)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(pán)上沒(méi)有徑向運(yùn)動(dòng),科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生.因此,在 MEMS 陀螺儀的設(shè)計(jì) 上,這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng),不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩,與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地 在橫向來(lái)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(dòng)力差 90 度.MEMS 陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)板.徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向 運(yùn)動(dòng)(有點(diǎn)象加速度計(jì)中的自測(cè)試模式) ,橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的 電容變化(就象加速度計(jì)測(cè)量加速度) .因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度,所以由電容的變化 可以計(jì)算出角速度.· mems陀螺儀的特點(diǎn)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(hào)，其核心部件通過(guò)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(diǎn)是1. 體積小、重量輕，其邊長(zhǎng)都小于 1mm，器件核心的重量?jī)H為1.2mg。2. 成本低3. 可靠性好，工作壽命超過(guò) 萬(wàn)小時(shí)，能承受1000g 的沖擊。4. 測(cè)量范圍大，目前我公司生產(chǎn)的 MEMS 陀螺儀測(cè)量范圍可擴(kuò)展到7560?/s。· mems陀螺儀的構(gòu)成o MEMS 陀螺儀(gyroscope)的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣,但是公開(kāi)的 MEMS 陀螺儀均 采用振動(dòng)物體傳感角速度的概念. 利用振動(dòng)來(lái)誘導(dǎo)和探測(cè)科里奧利力而設(shè)計(jì)的

4、 MEMS 陀螺儀 沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件, 不需要軸承, 已被證明可以用微機(jī)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力. 振動(dòng)物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu) 懸掛在基底之上. 整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng), 在這個(gè)系統(tǒng)中振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和靜電調(diào)試使得驅(qū)動(dòng)和傳感的共振頻率一致, 以實(shí)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(dòng)和傳感模式完全匹配或接近匹配,它對(duì)系統(tǒng)的 振動(dòng)參數(shù)變化極其敏感, 而這些系統(tǒng)參數(shù)會(huì)改變振動(dòng)的固有頻率, 因此需要一個(gè)好的控制架 構(gòu)來(lái)做修正.如

5、果需要高的品質(zhì)因子(Q) ,驅(qū)動(dòng)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(hào)輸出.還有阻尼大小也會(huì)影響信號(hào)輸出.一般的 MEMS 陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和電容板形狀的傳感部分組成. 有的設(shè)計(jì)還帶有去驅(qū)動(dòng)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(shí)，必須注意被測(cè)參數(shù)的物理環(huán)境和必要的性能指標(biāo)。具體要求分列如下：1.性能要求 .隨機(jī)漂移、隨機(jī)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(duì)漂移率定義和要求不同，機(jī)械式陀螺儀精度使用的是隨機(jī)漂移，陀螺儀使用的隨機(jī)游走系數(shù)。隨機(jī)漂移指由隨機(jī)的或不確定的有害力矩引起的漂移率。隨機(jī)游走系數(shù)由白噪聲產(chǎn)生的隨

6、時(shí)間累計(jì)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(jī)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(gè)指標(biāo)。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?yàn)閹捲酱?，輸出噪聲越大?測(cè)量范圍選擇陀螺儀的量程時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：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(biāo)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(biāo)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(biāo)度因數(shù)所期望輸出增量的50。單位：?/s、?/h。選擇陀螺儀的測(cè)量范圍時(shí)，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(biāo)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(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測(cè)得的輸入、輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。.標(biāo)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(duì)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(dòng)條件，分為正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)。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(shí)間。· mems陀螺儀的安裝o 1. 首先要認(rèn)清陀螺儀上面的標(biāo)識(shí)代表為角速率陀螺儀