MEMS-陀螺儀簡介及其應(yīng)用

MEMS陀螺儀簡介及其應(yīng)用楊永110204116摘要：自陀螺儀問世，因其獨特的性能，廣泛地應(yīng)用于航海、航空、航天以及國民經(jīng)濟等領(lǐng)域。陀螺及其相關(guān)技術(shù)一直是各國重點發(fā)展的技術(shù)之一，發(fā)展十分迅速。迄今為止，陀螺儀從傳統(tǒng)的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀到新型的固態(tài)陀螺儀，種類十分繁多。液浮陀螺、靜電陀螺和動力調(diào)諧陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，達到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。隨著光電技術(shù)、微米/納米技術(shù)的發(fā)展，新型陀螺儀如激光陀螺、光纖陀螺和微機械陀螺應(yīng)運而生。它們都是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無活動部件，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來的主導產(chǎn)品，具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：MEMS；陀螺儀；光學陀螺；微機械陀螺1.MEMS概述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、物理、光學、生物、材料等多學科。2.MEMS陀螺儀（gyroscope）介紹2.1MEMS陀螺儀（gyroscope）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MEMS陀螺儀（gyroscope）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。MEMS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。下面是導出科里奧利力的方法。有力學知識的讀者應(yīng)該不難理解。在空間設(shè)立動態(tài)坐標系（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、里奧利加速度和向心加速度。

圖一動態(tài)坐標系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（有點象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（就象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。

圖二、MEMS陀螺儀的驅(qū)動和傳感

圖三是Z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。

圖三、BOSCHSMG070原理圖MEMS陀螺儀(gyroscope)的結(jié)構(gòu)MEMS陀螺儀（gyroscope）的設(shè)計和工作原理可能各種各樣，但是公開的MEMS陀螺儀均采用振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設(shè)計的MEMS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)MEMS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)動誘導的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。（圖一）（圖一）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)MEMS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。(圖二(a)）還有阻尼大小也會影響信號輸出。（圖二(b)）

（圖二）一般的MEMS陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分（圖三）和電容板形狀的傳感部分組成。（圖五）有的設(shè)計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。（圖六）

（圖三）（圖四）

（圖五）

（圖六）3.MEMS陀螺儀（gyroscope）的分類及其比較根據(jù)最近幾年國內(nèi)外的文獻，目前常見幾種陀螺的精度范圍如下圖1描述：陀螺的精度范圍圖一從圖1可以看出，陀螺精度的分布相差大約8個數(shù)量級，那么根據(jù)其精度范圍可大致分為三部分：超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺儀。超高精度陀螺儀指精度在10-6o/h—5X10-5。/h范圍內(nèi)的陀螺儀，主要包括靜電陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀，這種陀螺的精度還有進一步提高的潛力，至少在未來一個階段還將占據(jù)領(lǐng)先地位。液浮陀螺在導航中已得到最廣泛的應(yīng)用，如在艦船的陀螺羅經(jīng)和慣性導航系統(tǒng)。液浮陀螺在今后幾年還將繼續(xù)發(fā)揮作用，這是因為液浮陀螺已建立良好的加工工藝，并形成了一定的生產(chǎn)基礎(chǔ)。不過就目前的現(xiàn)狀來看，再投入人力物力去研制新的液浮陀螺已沒有必要，這是因為進一步提高液浮陀螺的精度已很困難，并且現(xiàn)在已經(jīng)有高精度的靜電陀螺。磁浮陀螺的研制已有三十多年歷史，但沒有得到廣泛使用，這是因為在超高精度方面靜電陀螺更具優(yōu)勢，而在中、高精度方面的應(yīng)用液浮陀螺又長期占主導地位。所以說精度接近10-4o／h的磁浮陀螺只能在一些特定的領(lǐng)域得到使用，此外它的使用還要受成本因素的制約。俄羅斯研制一種球形磁浮陀螺，采用球形磁懸浮轉(zhuǎn)子，在高真空下高速旋轉(zhuǎn)，其工作原理類似于靜電陀螺，但它靠的是電磁力作為支承。由于采用低廉的電磁材料及簡便的生產(chǎn)過程，并進行自動化生產(chǎn)，故價格較低。同價格昂貴的靜電陀螺相比具有性價比的優(yōu)勢。球形磁浮陀螺應(yīng)用在半解析式慣性導航系統(tǒng)中，體積小精度高，其缺點是過載能力低，啟動時間長，只能適用于航海上。中高精度陀螺儀指精度在5X10-4o/h到10-1o/h的陀螺儀。這種精度范圍的陀螺儀種類很多，這樣經(jīng)濟成本就成為選擇陀螺儀的一個重要因素。目前最具有發(fā)展前景的陀螺儀就是光學陀螺儀，主要指激光陀螺和光纖陀螺，其工作原理都是基于薩納克（Sagnac）效應(yīng)。光纖陀螺的工作原理與激光陀螺的不同之處僅在于光纖陀螺是用光導纖維纏繞成一個線圈所構(gòu)成的光路來代替用石英玻璃加工出的密封空腔光路。薩納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進行傳播，最后匯合到同一探測點。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。最近幾年，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來越受到各國陸海空三軍的青睞。這是因為光纖陀螺同機電陀螺或激光陀螺相比，其主要優(yōu)點在于：1.無活動部件，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，耐沖擊；2.啟動時間短，僅需零點幾秒即可工作；3.動態(tài)范圍寬，測量范圍在o/h—400o/s；易于采用集成光路技術(shù)，信息穩(wěn)定可靠，可直接數(shù)字輸出，便于與計算機接口；4.檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了幾個數(shù)量級，克服了激光陀螺儀的閉鎖問題。有關(guān)專家認為：精度在10-2o/h或者更高的光纖陀螺將代替激光陀螺，這是發(fā)展趨勢。3.3低精度陀螺儀低精度陀螺儀指精度范圍超過l0-1。／h的陀螺儀。傳統(tǒng)上都認為該精度的陀螺在導航方面應(yīng)用范圍很窄，在其它領(lǐng)域的應(yīng)用前景也很暗淡。但是微慣性元件(微機械陀螺、微加速度計)的產(chǎn)生使這一看法發(fā)生了徹底轉(zhuǎn)變。微機械陀螺的研制是從20世紀8年代開始，其中最具代表性的有美國德雷珀實驗室的硅微機械陀螺、美國SistonDonne公司的石英微機械陀螺和日本Murata公司的壓電陶瓷微機械陀螺。圖2音又式微機械陀螺結(jié)構(gòu)圖圖3框架式微機械陀螺結(jié)構(gòu)圖微機械陀螺是采用微電子技術(shù)，利用化學蝕刻方法在單品硅片上制成的一種超小型的測角裝置，具有外形尺寸小，質(zhì)量輕，功耗低，啟動快、成本低、可靠性高和易于數(shù)字化等優(yōu)點，其加工工藝可以保證大規(guī)模生產(chǎn)，因而成本很低，但它最大的缺點是精度低。微機械陀螺目前精度在102。／h左右，還將進一步提高到101。／h。隨著先進的微電子技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計微機械陀螺的價格將會在l美元到幾百美元之間。其低廉的價格使其具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如車載導航系統(tǒng)、天文望遠鏡、工業(yè)機器人、計算機鼠標，甚至是玩具上.盡管中、低精度陀螺不能滿足慣性導航系統(tǒng)的要求，但可以同全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS或GLONASS)組合組成造價低廉的微型組合導航系統(tǒng)，這是一個發(fā)展方向。在這樣的組合導航系統(tǒng)中陀螺儀~[IGPS兩個組成部分互相取長補短，組合導航系統(tǒng)的長期精度由誤差不隨時間積累的GPS來保證，當短時間失去GPS信號時，由微慣性元件提供運動的動態(tài)參數(shù)和導航信息，而GPS正常工作時微慣性元件利剛GPS信息進行校正，以提高精度。4.MEMS陀螺儀市場應(yīng)用4.1.MEMS市場介紹市場觀察發(fā)展報告說，MEMS市場在2007年增長百分之九，達到70億美元，其中前30名制造商的收入總和有56億美元，平均增長7個百分點?；萜眨℉P）打印機使用MEMS噴墨頭，憑借其銷售強勢，終于將德州儀器（TI）拉下馬，在MEMS市場坐上頭把交椅。

觸發(fā)安全氣囊的加速度傳感器、輪胎壓力傳感器、監(jiān)控引擎壓力的傳感器、動態(tài)穩(wěn)定控制傳感器等MEMS在汽車應(yīng)用仍舊占據(jù)MEMS市場的主體，但是消費電子產(chǎn)品表現(xiàn)出最快的增長速度，尤其是美國模擬器件公司（ADI）和意法半導體（STM）。由于他們設(shè)計的加速度計均獲得了任天堂的定購用于Wii、后者還獲得了蘋果公司的青睞用于iPhone，他們的增長率超過百分之二十以上。

4.2.MEMS在汽車中的應(yīng)用前文講過，MEMS消費電子快速增長，但是MEMS汽車電子在市場中占主導。（圖一）MEMS汽車電子在2006年的市場份額約為16億美元，預(yù)計到2011年達到20億美元。（圖二）

圖一

圖二

當然汽車MEMS也有其發(fā)展模式。圖三例出了主要的汽車MEMS：加速度計、壓力計和陀螺儀，它們有的市場基本飽和，有的正待開發(fā)。

圖三壓力計主要用于監(jiān)控輪胎氣壓，向中央控制器發(fā)射RF信號報告情況。由于每個輪胎都需要獨立安裝這樣的RFMEMS，所以它的需求量很大。目前Infineon銷售量最大。壓力計還用于監(jiān)控引擎壓力等。加速度計有兩類：測量高加速度（100重力加速度量級）和測量低加速度（兩個重力加速度）。前者用于在撞車事故發(fā)生時觸發(fā)安全氣囊，是一種被動性保護措施，因此這類系統(tǒng)也叫被動控制系統(tǒng)。低加速度計用于監(jiān)控汽車在行駛過程中的穩(wěn)定性。陀螺儀（gyroscope）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?shù)膭x車以防止汽車脫離車道?，F(xiàn)在這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。

圖四

目前在汽車MEMS市場，壓力計和加速度計還是占較大份額，（圖四）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%。（圖五、六）（曹志良）

圖五、六陀螺儀技術(shù)將利用現(xiàn)代微電子技術(shù)在原有的機械理論的基礎(chǔ)上得到進一步的發(fā)展，預(yù)計最近1O年陀螺儀的主要研究方向是：①研制10-6o／h的高精度靜電陀螺，用于解決自主導航和基礎(chǔ)研究方面的問題；②研制低成本、高