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
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
-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
-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)
-第4小节 MEMS的发展(续)--作业
-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
-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)
-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
-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
-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)
-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
-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
-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)
-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
-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业
-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
-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
-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
-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
-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)
-第6小节 MEMS封装(续)--作业
-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
-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
-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业
-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)
-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
-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1小节 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
-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
-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)
-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
-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)
-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
-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
-第4小节 MEMS开关III--作业
-第5小节 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
-第7小节 MEMS谐振器的制造
-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业
-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
-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
-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业
-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
-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
-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业