MEMS陀螺儀技術(shù)原理_三軸陀螺儀技術(shù)原理

　　MEMS是什么呢？MEMS（Micro Electro Mechanical systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，其是一種可對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一整體單元的微型系統(tǒng)。

　　與傳統(tǒng)的利用角動(dòng)量守恒原理的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀使用了不同的工作原理。傳統(tǒng)的陀螺儀是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，其轉(zhuǎn)軸的指向不隨承載它的支架旋轉(zhuǎn)而變化。要把這樣一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的沒有支撐的能旋轉(zhuǎn)的物體用微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出來，顯然難上加難。為此，MEMS陀螺儀在基于傳統(tǒng)陀螺儀特性的基礎(chǔ)上利用科里奧利力來實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。

　　科里奧利力（Coriolis force）也就時(shí)常說的哥里奧利力、科氏力，它是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述，其來自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性，由于地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而作用于地球上運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的偏向力就是這樣的代表，地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

　　MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見應(yīng)用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力），旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對(duì)各種形式的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的測(cè)量與控制。為了產(chǎn)生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來的電容變化?！边@樣，MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動(dòng)下就會(huì)不停地來回做徑向運(yùn)動(dòng)或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來回變化的運(yùn)動(dòng)，并可在橫向作與驅(qū)動(dòng)力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計(jì)算出MEMS陀螺儀的角速度。

　　三軸角速度與旋轉(zhuǎn)速率成正比

　　以意法半導(dǎo)體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)（音叉機(jī)制的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對(duì)壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)，當(dāng)音叉開關(guān)的音叉與被測(cè)介質(zhì)相接觸時(shí)，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關(guān)的這些變化由智能電路來進(jìn)行檢測(cè)，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)開關(guān)信號(hào)）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振，利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化，從而實(shí)現(xiàn)操控功能。并且，由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機(jī)等便攜式設(shè)備就會(huì)由此獲得更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

　　三軸陀螺儀技術(shù)原理

　　三軸陀螺儀也叫“微機(jī)械陀螺儀”，而“微機(jī)械陀螺儀”也可稱作“MEMS陀螺儀”，即同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。單軸的只能測(cè)量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。

　　三軸陀螺儀最大的作用就是“測(cè)量角速度，以判別物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以也稱為運(yùn)動(dòng)傳感器“，換句話說，這東西可以讓我們的設(shè)備知道自己“在哪兒和去哪兒”（where they are or where they are going）！

　　如：芯片內(nèi)部含有一塊微型磁性體，可以在設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧力作用下向X，Y，Z三個(gè)方向發(fā)生位移，利用這個(gè)原理便可以測(cè)出手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。而芯片核心中的另外一部分則可以講有關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)備可以識(shí)別的數(shù)字格式，所以，當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，無論你將設(shè)備上移或者甩動(dòng)，里面的芯片接受指令就會(huì)向設(shè)備的CPU傳輸數(shù)據(jù)，使得設(shè)備能夠做出正確的回應(yīng)。

　　加速傳感器

　　加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件之一，加速度計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)振蕩系統(tǒng)，安裝于運(yùn)動(dòng)載體的內(nèi)部，可以用來測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)加速度。

　　MEMS加速度計(jì)工作原理：

　　當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體（該物體的加速度就是待測(cè)的加速度）一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制，通過輸出電壓就能測(cè)得外界的加速度大小。