当前课程知识点:MEMS与微系统 >  第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器 >  第4小节 微机械陀螺概述 >  微机械陀螺概述

返回《MEMS与微系统》慕课在线视频课程列表

微机械陀螺概述在线视频

微机械陀螺概述

下一节:典型微机械陀螺

返回《MEMS与微系统》慕课在线视频列表

微机械陀螺概述课程教案、知识点、字幕

接下来我们来介绍微机械陀螺

所谓的微机械陀螺是指

用硅微加工技术制造的一种测量角速度的

角速度传感器

我们需要注意一点的是

加速度传感器

是测量线运动的二阶时间导数

而角速度传感器测量的是

角运动的一阶时间导数

也就是

一个是线运动的加速度 一个是角速度

而不是角加速度

一个微机械陀螺它包括一个谐振结构

一个驱动部分

或者叫做激励部分还有一个检测部分

驱动部分是谐振结构产生振动

那么当谐振结构与角速度

耦合到一起的时候会产生一个科氏力

这个科氏力进一步激励谐振结构

振动在它的另一个模态上

那么通过对另一个振动模态的测量

我们就可以获得所对应的科氏力的大小

最早的微机械陀螺

起源于美国BEI公司

所在1990年开始生产的

石英音叉式的微机械陀螺

那么1991年美国的Charles Draper Lab

开始研制硅微机械陀螺

那么1997年Bosch公司

第一个量产了硅微机械陀螺

2002年Silicon Sensing Systems

和ADI也分别量产了硅微机械陀螺

2005年以后由于智能手机应用的需求

和汽车电子需求的拉动

使微机械陀螺特别是

硅微机械陀螺发展异常迅速

目前世界上

主要的硅微机械陀螺制造商包括

Bosch ST Invensense

ADI Murata以及Honeywell等等

那么这些公司

用不同的技术

来生产不同精度等级和测量范围的陀螺

大体上可以分为

消费电子类的应用 汽车电子类的应用

以及更高端的航空航天和武器类的应用

这些不同的应用

它们对陀螺的要求是不一样的

我们可以把它分为低性能和高性能

那么低性能主要包括消费电子和汽车电子

高性能包括工业以及战术和武器应用等

比较典型的战术级的应用

我们希望陀螺达到每小时一度的零偏稳定性

那么这个对微机械陀螺具有一定的技术挑战

要想实现更小的零偏稳定性

那么目前微机械陀螺还在不断的努力中

下面我们来看微机械陀螺的测量原理

我们都知道当一个人在一个圆盘上

沿着圆盘的径向运动的时候

它会受到加速度的作用

我们来看这个图

当它从靠近圆心的位置

沿着圆盘的直径向圆盘边缘运动的时候

随着圆盘的转动

它的位移和速度都会发生变化

我们来看下边这一个图

它从初始状态水平方向的速度向着圆盘边缘

运动到圆盘边缘的时候

由于圆盘的转动

它的速度大小和方向都发生了变化

这个速度大小的变化

是由于圆盘转动的时候

不同直径上的线速度是不一样的

而方向的变化

是由圆盘转动所带来的角速度引起的

因此我们可以说

它在圆盘上匀速运动的过程中

在圆盘作为坐标系来看它没有速度的变化

但是在圆盘外的坐标系来看

它已经从原来水平方向的小速度

运动到了一个有倾斜方向的大的速度

那么无论是速度的大小和方向

都发生了改变

所以在这个过程中它必定受到外力的作用

才能推动它产生速度的大小和方向的改变

那么驱动它产生这样的一个位移

需要一个外力

那么它由初始的速度改变为后来的速度

在这个过程中

所对应的惯性力我们把它叫做科氏力

那么对应的加速度

我们把它叫做科氏加速度

这个科氏力的大小可以表示为

两倍的质量乘以速度

乘以圆盘转动的角速度

那么力的方向

是由速度和角速度的叉积所决定的

因此我们说科氏力

只有当线速度与转动同时存在的时候

才会出现

从前面的公式

我们可以看到科氏力的大小

等于两倍的质量乘以速度再乘以角速度

如果已知了质量和速度

并且能够测量到科氏力的大小

那么我们就可以用上述的公式

来推算出角速度的大小

所以 根据公式我们可以看出来

我们只需要让一个加速度传感器运动起来

那么加速度传感器可以实现力的测量

也就是惯性所产生的弹性结构的变化

同时我们只要知道速度大小和质量块的大小

就可以计算出角速度大小

可是加速度传感器在一个旋转物体上的运动

不可能永远在一个方向上

它会超越旋转物体而掉下去

因此 一个更合理的办法就是

让加速度传感器

在一个转动的物体上反复地振动

所谓反复的振动也就是谐振

因此如果能够将一个加速度传感器

激励谐振起来

那么谐振加速度传感器在转动圆盘上

就自然会通过科氏力耦合出来角速度的大小

所以陀螺的结构包括了一个谐振器

一个激励单元和一个检测单元

那么通过激励单元

可以激励这个谐振器产生线速度

也就是公式中的V

那么通过转动以后

将线速度和角速度耦合到一起

所产生的科氏力

会让整个系统沿着科氏力的方向发生位移

那么这个位移大小就可以采用

我们测量加速度的方式把它测量出来

我们来看这个图所示的两个结构

一个质量块

当它沿着相对的方向水平谐振的时候

如果耦合进来一个垂直于表面的旋转

那么它会使质量块

沿着水平的另一个方向产生位移

那么这个位移的大小

我们可以通过电阻

或者电容的方式把它测量出来

当这个陀螺的驱动模式和检测模式

是耦合在一起的时候

我们能够得到它的输出振幅

和输入振幅与Q值是成正比的

通常情况下

我们把激励的振动模式叫做一阶振动模式

把检测的振动模式称为二阶振动模式

那么实际上

也就是当一个谐振器

被激励在一阶振动模式上的时候

外部的旋转会使它产生

把一阶振动模式

向二阶振动模式能量进行耦合

导致二阶振动模式也出现了

因此二阶振动模式所具有的振幅大小

所以我们把一阶振动模式

和二阶振动模式的关系进行一个划分

可以分为这样两种

一种叫做分离模式

所谓的分离模式呢

是指谐振器的一阶振动模式

也就是我们驱动激励的振动模式

和二阶振动模式不相等

第二种呢是叫做匹配的模式

所谓的匹配模式是指

谐振器的一阶振动模式

和二阶振动模式频率相近或者相等

对于分离模式和匹配模式

具有各自不同的一些优点和缺点

我们会在后面做更详细的说明

对于匹配模式我们就可以进一步

根据两者频率的差异进行划分

当两者的频率完全相等的时候

我们把它称为简并模式

如果两者不完全相等有一个微小的频率差

我们把它叫做一个非简并模式

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

微机械陀螺概述笔记与讨论

也许你还感兴趣的课程:

© 柠檬大学-慕课导航 课程版权归原始院校所有,
本网站仅通过互联网进行慕课课程索引,不提供在线课程学习和视频,请同学们点击报名到课程提供网站进行学习。