MEMS陀螺在线视频

陀螺是检测物体运动角速度的传感器

最常见的陀螺是机械陀螺

或者叫做转动陀螺

因为存在一个高速转动的转子

转动产生机械磨损

会导致漂移

为了保证精度

这类陀螺需要采用减小或消除磨损的措施

最早的陀螺采用滚珠轴承式结构

现代高精度陀螺都要采用某种悬浮技术

例如静电悬浮 磁悬浮 气浮或液浮等

光学陀螺基于SAGNAC效应

分为激光陀螺或者环形陀螺和光纤陀螺

光学陀螺没有运动部件

能够大大提高精度

但是需要稳定的激光光源和光路

机械陀螺和光学陀螺

都不可能通过MEMS技术来实现

MEMS陀螺采用的是振动陀螺的工作原理

我们来看振动陀螺的原理

我们都有这样的经验

当地铁转弯的时候人会向后仰

这说明有惯性力的作用

一个做直线运动的物体A

放在一个旋转体B上

那么A会相对于B产生一个直线偏移

就好像A在这个偏移方向上受到一个惯性力

这个惯性力就是科氏力

科氏力在地理学 水文学 气候学方面非常重要

因为地球本身是一个旋转体

那么地球上的运动物体

比如奔流不息的大江大河

你会发现总是冲刷一边的河岸

这就是科氏力的作用

科氏力的方向和物体A直线运动的方向

以及物体B旋转转轴之间成正交关系

这是科氏力与物体质量

直线运动速度和旋转转速之间的关系

振动陀螺就是通过检测科氏力

来检测物体的转动角速度

具体来说在陀螺中有一个振动的质量块

假设振动方向在x轴

质量块弹性连接到固定基座上

基座固定在被测物体上

如果被测物体存在绕z轴的转动

那么质量块会在Y轴上受到科氏力的作用

从而产生位移

通过测量Y轴上的位移就可以实现对角速度的测量

所以MEMS陀螺其实就是振动质量块的加速度计

根据MMES陀螺的工作原理我们可以看到

MEMS陀螺包括振动驱动和惯性力检测两个关键技术

对于振动驱动

可以采用静电驱动

也可采用压电驱动

相应的科氏力检测

可以采用电容式传感器或压电式传感器

这样对应便于系统集成制造

振动频率通常在谐振频率

因为谐振状态下干扰最小

MEMS陀螺检测因基座转动产生的科氏力

但是如果在科氏力方向上还存在线加速度

就会对角速度的测量带来干扰

因此需要采用共模抑制技术

就是采用两个质量块

振动速度相同 方向相反

将两个信号做差分

对于线加速度引起的位移

输出信号是相等的直流信号

一路反相后相加

输出为零

对于转动引起的位移

为交流信号

其中一路反相后相加

信号增强

这就是共模抑制技术

不包含线加速度的干扰

此外与加速度计一样

MEMS陀螺也需要真空封装

而且真空度要求更高

因此虽然MEMS陀螺原理上

是个振动质量块的加速度计

但是技术上比加速度计更复杂

这是一个MEMS陀螺

有两个质量块在Y轴上

通过两组静电执行器驱动

使两个质量块以相同的速度

相反的方向振动

当基座绕x轴转动时

两个质量块上的科氏力沿z轴

大小相等 方向相反

z轴的位移可以通过电容式传感器来检测

由于两个质量块的位移大小相等方向相反

所以可以构成差分电容器

这是另一个MEMS陀螺

这是两个质量块

在两组静电微执行器驱动下

以相同速度相反方向在x轴振动

如果基座绕z轴转动

则科氏力在Y轴

通过两组梳指电容器构成差分电容器

来检测面内的位移

三轴陀螺

绕三个轴的旋转分别称为翻滚 俯仰 偏航

在平面内可以通过梳指静电驱动器

实现x y方向的振动

我们来看

如果要测偏航

那么可以在x方向驱动一个质量块

然后测它在y方向的位移

如果要测翻滚

就要在Y方向上驱动另一个质量块

然后测它在z方向的位移

z方向的位移怎么测呢

就需要在基底上做底电极

与质量块构成平行平板电容器

那么如果要测俯仰

就要用那个在x方向振动的质量块

测它在z方向的位移

这样一来就需要两个质量块

两套静电驱动器

一套梳指差分电容器和两套平行平板电容器

这将是一个非常复杂的MEMS结构

但是通过MEMS加工技术

却是可以实现的