MEMS陀螺仪精讲.ppt

1、MEMS陀螺仪,关于MEMS陀螺仪的探讨,一、陀螺仪发展历程,二、MEMS陀螺仪原理及分类,三、MEMS陀螺仪的应用,四、关于MEMS陀螺仪的最新年研究成果,陀螺仪的发展历程简介,陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程：,2.70年代的动力调谐陀螺仪(又称挠性陀螺仪，DTG)。,3.20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)。,4.到90年代的振动陀螺仪。,5.目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺仪(简称微机械陀螺仪，MEMSG)。,1.20世纪50年代的液浮陀螺仪,MEMS陀螺仪原理简介,我们以一个单轴偏航陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理。,MEMS陀螺仪原理简介,两个正在

2、运动的质点向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率，就会产生一个与质点运动方向垂直的科里奥利力，如图中黄色箭头所示。产生的科里奥利力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为传感器感应部分的运动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参数。,科里奥效应,MEMS陀螺仪利用科里奥效应测量运动物体的角速率，根据科里奥效应,当一个物体(m)沿方向运动且施加角旋转速率时，该物体将受到一个科里奥利力。法国物理学家科里奥利于1835年第一次详细地研究 了这种

3、现象，因此这种现象称为“科里奥利效应”。有时把它称为“科里奥利力”，但它并不真是一种力；它只不过是惯性的结果。,MEMS陀螺仪的分类,1.振动式微机械陀螺仪 振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被基带动旋转时的哥氏效应感测角速度。,2.转子式微机械陀螺仪 转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成，采用静电悬浮，并通过力短再平衡回路测出角速度。从功能看，转子式微机械陀螺仪属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传感器。,3.微机械加速度计陀螺仪 微机械加速度计陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速度计做反向高频抖动 而构成的多功能惯性传感器，兼有测量加速度和角速度的双重功能。,MEMS陀螺仪的特

4、点,优点： 陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴动作的角速度，是补充加速度计功能的理想技术。结合加速度计和陀螺仪这两种感测器，可以跟踪并捕捉3D空间的完整动作，提供更真实的用户体验、精确的导航系统及其他功能。 与传统陀螺仪相比，MEMS陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好、测量范围大、易于数字化和智能化等突出的优点。,易于数字化和智能化,易于数字化和智能化 由于传统陀螺仪成本高、体积大、结构脆弱，在机械架构或价格考虑上，无法适用于消费性电子产品的主流市场，但目前MEMS陀螺仪产品尺寸已缩小到mm级，成功应用于手机、MID、手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中。事实上，用硅材料制的MEM

5、S陀螺仪不仅实现了微型化，而且由于硅的微加工技术与集成工艺技术的相容性，可以将敏感器件与处理电路完全集成在一个硅片上，从而实现了陀螺仪真正意义上的机电一体化。,低成本批量生产,将MEMS陀螺仪与其辅助电路整合在同一个封装内，运用创新的MEMS制程技术，简化传感器与线路之间的焊接过程，并缩小它们的封装尺寸（多轴陀螺仪的系统封装面积仅为35平方毫米），用一块硅片可一次性快速生产大量产品，实现低成本量产。,MEMS陀螺仪的特点,缺点： 陀螺仪根据精度划分，有超高精度、中高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。MEMS陀螺仪虽然应用前景广，但目前仍属于低精度陀螺仪，随机漂移误差较大。超高精度陀螺仪主要包括静电陀螺

6、、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电陀螺仪。,MEMS陀螺仪的应用发展史,1.MEMS陀螺仪的第一波应用是1990年代的汽车安全系统,2.MEMS陀螺仪第二波应用是始于2000年的消费电子产品,3.MEMS陀螺仪的第三波应用将开始出现在医疗、工业器械等领域,MEMS陀螺仪的军事应用优势,在现今的世界格局中，战争以信息化战争的对抗为主,重点是发展精确制导武器，MEMS陀螺仪在其中发挥了重要作用。,MEMS陀螺仪能够提供准确的方位，位置，速度，加速度等信息，并可应用在战术导弹，智能炮弹，新概念武器，空间飞行器，自主式潜艇导航等领域。,MEMS陀螺仪的民用优势,微机械陀螺仪由于具有非常容

7、易小型化和批量生产，成本低和体积小等特点。近年来，在很多应用中受到密切地关注。,MEMS陀螺仪可在数码相机中用于稳定图像,整合MEMS加速计和陀螺仪地磁的模块正在进入廉价的电子玩具市场，传感器模块提供的动作感应功能可实现互动的游戏体验，还能让更小的儿童上网分享快乐：孩子们很快就能够用自然的动作玩这些玩具，不再使用按钮或键盘一类的东西。,关于MEMS陀螺仪的最新国外成果,1、美商亚德诺(Analog Devices, Inc., ADI)新推出的编号为ADIS 16136 的 iSensor 数位MEMS陀螺仪。该陀螺仪具有以下特点： 尺寸仅火柴盒大小，却能提供3.5 o /hr的典型偏压稳定度

8、，且只消耗低于1瓦特的功率，重量则只有25公克。 能够自主运作，而且在产生出精密且精确速率的感测资料之前不需要使用者进行组态设定，可以快速的实现精密的独立应用装置，像是平台稳定与控制、导航、机器人、以及医疗仪器。 ADIS 16136以高达2048 SPS(每秒取样)的速率提供资料，并具有平均/降频滤波器结构，能够将杂讯与频宽之间的权衡达到最佳化。,2、日前,意法半导体(ST)新推出13款单轴和双轴陀螺仪。这种陀螺仪有以下值得关注的地方：,这种全新高性能角运动传感器可运用于手势控制的游戏机和遥控指向产品、数字摄像机或数码相机的图像稳定功能，以及GPS导航辅助系统。,意法半导体的陀螺仪包括关断模

9、式(当整个器件完全关断时)和睡眠模式，部分电路在睡眠模式下被关断,不但大幅降低功耗，并可快速唤醒,使电源开关更加智能化。,意法半导体的高性能MEMS陀螺仪拥有抗机械应力，并改进了内部自检功能，使客户在组装后可以验证传感器功能，无需在测试过程中移动电路板。,MEMS最新国内成果,1、最新的MEMS陀螺仪-HTG系列陀螺仪：最新的MEMS陀螺仪-HTG系列陀螺仪是用来测量角速率的固态传感器, 采用MEMS芯片，制造采用BIMOS生产工艺和载流焊工艺技术。HTG系列MEMS陀螺仪具有高可靠性和高封装坚固性;可用于惯性测量元件、高可靠性的汽车电子、导弹制导和控制、飞行器稳定控制、天线稳定、摄像、数码摄影、机器人等系统。,2、CRS02系列角速度传感器(微机械陀螺仪) 是用于测量运动物体角速度的微型惯性器件。陀螺仪应用Corioli效果，采用硅素超微精密环型传感件设计而生产一耐震动的高精度类比输出电压。陀螺仪量得的是角速度资料, 经积分旋