微机电陀螺仪

角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高，但它的结构复杂，使用寿命短，成本高，一般仅用于导航方面，而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上，如果不是受成本限制，角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄像机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。因此，近年来人们把目光投向微机电加工技术，希望研制出低成本、可批量生产的固态陀螺。

MEMS微机电陀螺仪是采用微机电技术和工艺而制成的角速度传感器，它利用coriolis原理，将旋转物体的角速度或者角量程转换成正比的直流电压信号。微机电陀螺仪可以用于消费类电子、汽车安全及车载GPS辅助导航、航空航天、生物医疗等众多应用领域。微机电陀螺仪较之传统陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、易于数字化和智能化等优点，适合大批量生产。微机电陀螺仪有音叉式、框架式、振动轮式、振动棒式等多种结构。图6－30为几种微机电陀螺仪产品。

图6－30 微机电陀螺仪产品

1.石英音叉振动MEMS陀螺仪

音叉振动式MEMS陀螺仪采用石英晶体作为音叉的材料，并经化学刻蚀制成，然后再用激光修刻调整平衡。音叉作为支撑，与仪表壳体相固连。在音叉双臂的表面设置激振电极和读取电极，这些电极是在音叉表面先沉积一薄层铬再沉积一薄层金而成。音叉的激振由石英晶体的逆压电效应实现，信号的读取由石英晶体的压电效应实现。图6－31为音叉式陀螺仪的原理结构图。

音叉振动式MEMS陀螺仪的原理是：在激振电极上施加交变电压使音叉双臂以谐振频率振动，音叉双臂上各质点就会沿y轴振动 （因振幅很小，故可视为线振动）。

图6－31 音叉式陀螺仪原理结构图

设某质点的质量为m，振动规律为：

s＝s0sinωxt（6－23）

当仪表壳体绕x轴以角速度ω相对惯性空间转动时，则作用在该质点上的哥氏惯性力为：

FC＝2mωs0ωxcosωxt（6－24）

音叉双臂上各质点都受到交变哥氏惯性力的作用，使各质点产生沿z轴的振动。其振幅正比于输入角速度的大小，相位取决于输入角速度的方向。这一振动由读取电极检测，经解调后输出信号可作为输入角速度的度量。

2.MEMS硅双框架振动陀螺仪

MEMS硅双框架陀螺仪的结构如图6－32所示。其工作原理是：内外框架皆可绕其挠性轴做角振动。当给驱动电极加上交变电压时，在静电吸力的作用下，外框架将绕其轴做角振动，同时带动内框架一起振动。此时，内框架便能敏感沿框架平面法线的角速度。如果沿此方向有角速度输入，那么内框架在哥氏惯性力的作用下，将绕其轴振动。这将引起其上敏感电容的变化，且电容变化量与输入角速度的大小成正比。所以通过检测敏感电容变化量的大小，便可获得输入角速度值。

图6－32 双框架式振动陀螺仪三维图

双框架式振动陀螺仪不同于传统意义上的旋转陀螺仪，由于其结构微小 （一般只有几个毫米），信号极其微弱且易受干扰，对其结构进行合理设计，有利于减小信号检测的难度。使其工作在闭环状态，有利于提高灵敏度，提高测量的线性度。若在电路中采用单片机，可以有效地减小主观因素的影响，增加信号处理的灵活度，提高测试精度。