MEMS陀螺仪：一种角速率传感器技术

(1)工作原理和性能指标

MEMS 陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力,将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号。科里奥利力的计算公式如下:

其中,F为科里奥利力;m 为质点的质量;v′为相对于转动参考系质点的运动速度(矢量);ω 为旋转体系的角速度(矢量);“×”表示两个向量的外积符号(ω×v′的大小等于ω 的大小乘以v′的大小再乘以两矢量夹角的正弦值,方向满足右手螺旋定则)。

MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体做径向运动(有点像MEMS加速度计中的自测试模式),横向的电容板用于测量横向科里奥利运动带来的电容变化(就像MEMS加速度计测量加速度)。因为科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以计算出角速度。

绝大多数MEMS陀螺仪的测量依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS陀螺仪由两个振动并不断地做反向运动的物体组成,如图6.12所示。当施加角速率Ω 时,每个物体上的科里奥利效应产生相反方向的力,从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比,如果是模拟陀螺仪,电容差值转换成电压输出信号;如果是数字陀螺仪,电容差值转换成最低有效位。

MEMS陀螺仪的研究现状

图6.12　绝大多数微机械陀螺仪的结构

MEMS陀螺仪的主要性能指标包括量程、灵敏度、零偏和带宽。量程通常以正、反方向输入角速率的最大值来表示,如+/-300 degree/s,该值越大表示MEMS陀螺仪感应角速率的能力越强;灵敏度(分辨率)表示在规定的输入角速率下能感知的最小输入角速率的增量;零偏是指MEMS陀螺仪在零输入状态下的输出,其用较长时间内输出的均值等效折算为输入角速率来表示,也就是观测值围绕零偏的离散程度,例如,0.005 degree/s表示每秒会变化0.005 degree;带宽是指陀螺仪能够精确测量输入角速率的频率范围,这个范围越大表明MEMS陀螺仪的动态响应能力越强。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志,同时也决定MEMS陀螺仪的应用环境。

(2)结构

MEMS 陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样,但是公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承,已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。(www.xing528.com)

机械陀螺仪一般有三种工作模式(后两种是最适合微机械实现的):全角模式、开环振动模式和力平衡模式。接下来介绍三种陀螺仪。

①万向接头结构的微型陀螺仪

万向接头结构的微型陀螺仪通过力平衡模式驱动,如图6.13所示。它的驱动轴为陀螺对称轴,当强迫输入轴改变方向时,输出轴可感知陀螺力矩并通过电极输出,以此计算出输入的角速度。

图6.13　万向接头结构的微型陀螺仪

②微型谐振环状陀螺仪

图6.14所示为Putty和Najafi描述的一种安装在集成有源电路上的微型谐振环状陀螺仪(空心外壳设计)。32个电镀电容电极围绕着振动环来驱动、感知和控制其振动。芯片上的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)电路将振动转换成输出电压。微型谐振环状陀螺仪在带宽10 Hz范围内,分辨率为0.5°/s,品质因数Q 值为2 000。

图6.14　微型谐振环状陀螺仪

③Z 轴谐振驱动的微型两轴陀螺仪

Juneau等人设计了一种以多晶硅为衬底,用表面微机械加工制作,在同一芯片上具有电子电路的两轴陀螺仪。如图6.15所示,由Z 轴谐振驱动转子高速旋转,转子被支撑在四个正交的悬浮弹簧上,弹簧的端部固定在衬底上。当衬底绕X 轴(Y 轴)旋转时,其引起的陀螺力矩使得转子绕Y 轴(X 轴)扭振,以此计算出角速度。

图6.15　Z 轴谐振驱动的微型两轴陀螺