微机械陀螺工作原理

mems陀螺仪mems陀螺仪即硅微机电陀螺仪，绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。

目录•mems陀螺仪的原理•mems陀螺仪的特点•mems陀螺仪的构成•mems陀螺仪的选用•mems陀螺仪的安装mems陀螺仪的原理•MEMS 陀螺仪(gyroscope)的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理, 因此它主要是一个不停转动的物体, 它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化.但是MEMS 陀螺仪(gyroscope)的工作原理不是这样的,因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事.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. 下面是导出科里奥利力的方法. 有力学知识的读者应该不难理解.在空间设立动态坐标系(图一).用以下方程计算加速度可以得到三项,分别来自径向加速,科里奥利加速度和向心加速度.如果物体在圆盘上没有径向运动,科里奥利力就不会产生.因此,在MEMS 陀螺仪的设计上,这个物体被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡,与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力差90 度.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作径向运动(有点象加速度计中的自测试模式) ,横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化(就象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.mems陀螺仪的特点•MEMS陀螺仪是利用coriolis 定理，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，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是1. 体积小、重量轻，其边长都小于1mm，器件核心的重量仅为1.2mg。

新型陀螺仪的工作原理及应用在现代科技的飞速发展中，陀螺仪作为一种重要的传感器，发挥着不可或缺的作用。

从航空航天到智能手机，从汽车导航到工业自动化，陀螺仪的应用无处不在。

而新型陀螺仪的出现，更是为众多领域带来了新的突破和可能。

要理解新型陀螺仪的工作原理，首先得从传统陀螺仪说起。

传统的机械陀螺仪是基于陀螺的定轴性和进动性来工作的。

简单来说，就是一个高速旋转的陀螺，其旋转轴在没有外力作用时，始终保持固定的方向；当受到外力作用时，会产生进动现象，从而可以感知物体的转动。

然而，这种机械陀螺仪存在体积大、重量重、精度有限以及对环境敏感等缺点。

新型陀螺仪则克服了这些问题，其中比较常见的有光学陀螺仪和微机电系统（MEMS）陀螺仪。

光学陀螺仪主要包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪。

激光陀螺仪利用了萨格纳克效应，通过测量两束沿相反方向传播的激光束的光程差来感知旋转。

当陀螺仪发生旋转时，两束光的传播路径会发生变化，导致光程差的产生，通过检测这个光程差就能确定旋转的角速度。

光纤陀螺仪的工作原理与激光陀螺仪类似，只不过它使用的是光纤来传输光信号。

由于光纤具有柔软、抗干扰能力强等优点，光纤陀螺仪在实际应用中具有更大的灵活性。

MEMS 陀螺仪则是基于微机械加工技术制造的。

它通常由一个可移动的质量块和相应的检测电路组成。

当陀螺仪发生旋转时，质量块会受到科里奥利力的作用，产生微小的位移或振动。

通过检测这个位移或振动的变化，就可以推算出旋转的角速度。

新型陀螺仪在众多领域都有着广泛的应用。

在航空航天领域，高精度的陀螺仪对于飞机、卫星和导弹的导航和姿态控制至关重要。

新型陀螺仪的小型化和高精度特点，使得飞行器能够更加精确地定位和导航，提高飞行的安全性和稳定性。

在智能手机中，陀螺仪可以实现屏幕的自动旋转、游戏中的体感操作以及增强现实（AR）和虚拟现实（VR）应用中的头部追踪等功能。

例如，当我们在看手机图片或者阅读文档时，只要转动手机，屏幕内容就能自动跟着旋转，这就是陀螺仪在起作用。

陀螺仪是用来测量角速率的器件，在加速度功能基础上，可以进一步发展，构建陀螺仪。

陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量；这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。

角速率由科氏加速度测量结果决定- 科氏加速度 = 2 × (w ×质量块速度)- w是施加的角速率(w = 2 πf)通过14 kHz共振结构施加的速度（周期性运动）快速耦合到加速度计框架- 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动该机械系统的结构与加速度计相似（微加工多晶硅）信号调理（电压转换偏移）采用与加速度计类似的技术施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。

如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。

上面的动画，只是抽象展示了陀螺仪的工作原理，而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子。

PS：陀螺仪可以三个一起设计，分别对应于所谓滚动、俯仰和偏航。

任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滚动是指向左或向右翻滚。

要正确控制任何类型的航空器或导弹，都需要知道这三个参数，这就会用到陀螺仪。

它们还常常用于汽车导航，当汽车进入隧道而失去GPS信号时，这些器件会记录您的行踪。

无人机在飞行作业时，获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。

从而在处理中可以更加方便的处理影像。

而POS数据主要包括GPS数据和IMU数据，即倾斜摄影测量中的外方位元素：（纬度、经度、高程、航向角（Phi）、俯仰角（Omega）及翻滚角（Kappa））。

GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。

飞控是由主控MCU和惯性测量模块（IMU，Inertial Measurement Unit）组成。

微机械MEMS陀螺仪原理：目前，MEMS陀螺仪主要以振动式为主，振动式陀螺仪主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和检测单元几个部分构成。

驱动与检测方式以静电驱动、电容检测最为常见。

检测原理是利用柯氏效应（Coriolis）把各轴的角速率转换成谐振质量块的位移，从而引起检测电容的变化，通过电容变化量可以换算出角速率或者角加速度。

以一个单轴MEMS陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理（图4）。

两个正在运动的质量块向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。

只要施加一个平行于纸平面的角速率，如红色箭头所示，就会产生一个与质量块运动方向垂直的柯里奥利力，如黄色箭头所示。

产生的柯里奥利力使质量块发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。

这个位移将会在质量块的梳齿电极和固定电极之间引起电容变化，因此，在MEMS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量。

图4MEMS振动式陀螺仪原理分析和评价陀螺的性能，需要制定一系列的衡量准则，为其应用提供一定的参考依据。

总体而言，表征陀螺性能的主要指标有:标度因数稳定性、漂移稳定性、随机游走、量程和成本等等。

三、主流MEMS陀螺仪厂商工艺：3.1ADI iMEMS制造工艺：美国ADI公司的MEMS惯性传感器性能达到军用战术级别，其著名的iMEMS工艺是MEMS 和标准IC工艺实现单片混合集成的成功典范，制造有ADXL系列加速度计、ADXRS系列陀螺仪等产品。

如图5所示，是ADI的ADXRS150陀螺仪。

图5ADXRS150陀螺仪ADI iMEMS是一种Interleaved-CMOS工艺，如图6所示,其特点是在CMOS制造流程过程中插入MEMS器件的制作工艺，这些MEMS工艺不会影响到CMOS电路的性能。

iMEMS制造工艺的基本步骤是：1、首先是从CMOS工艺起始，制作前段工艺的MOS晶体管，包括N阱、MOS管的源极、漏极和发射极，并且制作与MEMS微结构连接的n+区域；2、沉积氮化硅和BPSG保护电路制作区域，但这些薄膜要从MEMS结构制作区域去除；3、在MEMS结构区域，沉积和刻蚀钝化层氮化硅、1.6um厚的牺牲层氧化硅以及2um PloySi薄膜，PolySi采用P注入掺杂，并且退火获得较小的应力，以作为MEMS器件的结构层；4、沉积氧化硅保护MEMS区域，并且继续CMOS后段的金属互连制作步骤；5、最后就是释放牺牲层，获得活动的MEMS结构，测试封装。

mems陀螺仪工作原理mems陀螺仪是由microelectromechanical systems(简称MEMS)制成的一种传感器，它可以检测和记录来自环境的物理运动，如旋转、加速度和位移。

它可以用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域。

本文将介绍mems陀螺仪的工作原理。

一、MEMS陀螺仪的结构MEMS陀螺仪是一种小型、低成本的传感器，一般由两个部分组成，分别是检测部分和控制部分。

检测部分由一个微机械的旋转轴组成，它的运动传感器可以检测旋转轴的角位移、角速度和角加速度。

控制部分负责检测部分的控制，它由多个电子元件和电路组成，包括放大器、滤波器、可编程逻辑控制器等。

二、MEMS陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪的工作原理是利用检测部分的运动传感器检测旋转轴的角位移、角速度和角加速度，然后将信号输入到控制部分。

控制部分对信号进行放大、滤波和编码，然后将指令发送给外部设备，以控制或检测物理运动。

三、MEMS陀螺仪的优点MEMS陀螺仪在小型化、低成本、低功耗等方面具有明显优势，能够满足许多应用场合的需求。

除此之外，它还具有良好的可靠性和可重复性，能够提供精确的测量结果。

四、MEMS陀螺仪的应用MEMS陀螺仪可以应用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域。

在航空航天领域，MEMS陀螺仪可以用于飞行控制、导航和航空飞行模拟等应用；在汽车领域，MEMS陀螺仪可以用于车辆安全控制、车辆悬架系统和驾驶员辅助系统等应用；在智能手机和其他电子设备领域，MEMS陀螺仪可以用于游戏控制、虚拟现实系统和家居智能控制等应用；在实时监控系统领域，MEMS 陀螺仪可以用于机器人控制、运动检测和地面监控等应用。

五、结论MEMS陀螺仪作为一种小型、低成本、低功耗的传感器，可以应用于航空航天、汽车、智能手机和其他电子设备，以及实时监控系统等领域，具有良好的可靠性和可重复性，能够提供精确的测量结果，是一种非常有用的传感器。

mems陀螺仪原理
mems陀螺仪是一种基于微电子机械系统（MEMS）技术的陀
螺仪，其原理是利用惯性力和Coriolis效应来测量物体的旋转
角度。

mems陀螺仪通常由一个微小的敏感元件和一个驱动元件组成。

敏感元件用于感知物体的旋转运动，而驱动元件则用于提供驱动力。

这两者共同工作，使得mems陀螺仪能够准确测量物体
的旋转角度。

敏感元件通常由微小的振动体构成，它们被放置在一个微小的腔体内。

当物体发生旋转时，惯性力作用在振动体上，导致其发生位移。

这个位移随着旋转角速度的增加而增加，从而可以用来测量旋转角度的大小。

同时，驱动元件可以通过施加振动力来保持敏感元件的振动。

这种振动力可以通过微小的电极施加，从而实现对振动体的控制。

通过控制驱动元件的振动频率和振动幅度，可以确保敏感元件在操作范围内保持稳定的振动状态。

在mems陀螺仪中，Coriolis效应起到了关键的作用。

当敏感
元件振动时，由于物体的旋转，振动体会感受到一个由Coriolis力引起的横向力，这个力与振动方向垂直。

通过测量
这个横向力的大小，可以确定物体的旋转角速度。

综上所述，mems陀螺仪通过利用惯性力和Coriolis效应，结
合微电子机械系统技术，实现对物体旋转角度的准确测量。

它
在航空航天、汽车导航、智能手持设备等应用领域有着广泛的应用。

微机电系统压电陀螺仪技术研究一、引言微机电系统（MEMS）技术是在微纳米尺度下制备器件和系统的技术，将传感器、微处理器、无线通信等集成于极小的芯片上，可以实现高度集成、高精度、低功耗等特点，成为近年来研究热点之一。

压电陀螺仪是MEMS领域的一种典型应用，广泛应用于航空、导航、精密仪器等领域。

二、压电陀螺仪基本原理压电陀螺仪是一种基于压电效应的MEMS陀螺仪。

其工作原理是利用压电材料在外力作用下发生变形，从而感应出材料上的电荷变化，进而测量出转动角速度。

压电材料常用的有晶体硅、PZT、AlN等，其中PZT（铅锆钛）是目前使用最广泛、性能最优的一种压电材料。

压电陀螺仪相对于其它类型的MEMS陀螺仪而言，具有响应速度快、抗振动强、寿命长等优点。

三、压电陀螺仪工作流程压电陀螺仪的工作流程通常包括几个关键过程：机械振动、电荷感应、信号放大等。

在机械振动方面，当压电材料受到旋转力矩作用时，会发生机械弯曲振动。

在电荷感应方面，当振动的压电材料偏离其原始位置时，其上的电荷发生变化，进而产生感应电荷。

最后，收集和放大感应电荷，可以得到陀螺仪的输出信号，并反映出陀螺仪的转动角速度。

四、压电陀螺仪性能优化尽管压电陀螺仪具有很多优点，但其性能仍有待发展和优化。

下面介绍几种常见的性能优化方法。

1. 焊接技术：采用奥氏体或电子束焊接技术，可有效减少焊接过程产生的胶合剂和材料裂纹等问题，提高压力陀螺仪的可靠性和性能。

2. 制造工艺：采用硅工艺和MEMS技术制造陀螺仪，可以实现高度集成、小尺寸、低功耗等特点，提高压电陀螺仪的性能。

3. 电子组装：陀螺仪输出信号需要通过电子组装进行处理和解码，采用优质的数字信号处理器和模数转换器等电子元件，能够提高压电陀螺仪的精度和稳定性。

五、应用前景与展望随着MEMS技术的不断发展和陀螺仪技术的逐步成熟，压电陀螺仪在航空、导航、精密仪器和机器人等领域的应用前景日益广阔。

此外，随着智能手机、智能家居等新兴领域的快速发展，压电陀螺仪也将成为这些领域中重要的传感器之一。