几种MEMS陀螺仪(gyroscope)的设计和性能比较

目前，微机械陀螺根本都是振动式的，因此本文将着 重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框 架、谐振质量块，以及鼓励和测量单元几个局部构成。
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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成 和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
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表征微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
4. 测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺根本原理
振动式微机械陀螺根本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺根本原理

基本應用原理
• F：物體所受合外力 • m：物體質量 • a：物體的加速度
• k：物質的彈性係數 • x：位移量
• C：電容量 • ε：介電常數 • A：極板截面積 • d：板間距離
MEMS加速度計原理
物體的加速度=物質的彈性係數X位移量/物體質量
A A點移動到B點
距離＝1/2加速度 ×時間平方
• 陀螺儀又名角速度計，利用內部振動機械結構感測物體轉動所產生角速度， 進而計算出物體移動的角度。
• 兩者看起來很接近，不過加速度計只能偵測物體的移動行為，並不具備精確 偵測物體角度改變的能力，陀螺儀可以偵測物體水平改變的狀態，但無法計 算物體移動的激烈程度。
• 用簡單的例子就是Eee Stick 體感遙控器,這是一個類似 Wii 遊戲的遙控捍 ， 例如玩平衡木遊戲，當搖桿向前傾斜時，陀螺儀用來計算搖桿傾斜的角度， 三軸加速度計可以偵測搖桿晃動的劇烈程度以及搖桿是否持續朝斜下方。
MEMS陀螺儀工作原理
• MEMS陀螺儀依賴於由相互正交的振動和轉動引起的交變 科氏力。振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整 體動力學系統是二維彈性阻尼系統，在這個系統中振動和 轉動誘導的科氏力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。
Hale Waihona Puke 影響MEMS信號輸出因素• 透過改進設計和靜電調試使得驅動和傳感的共振頻率一致，以實現最大可能 的能量轉移，從而獲得最大靈敏度。大多數MEMS陀螺儀驅動和傳感模式完 全匹配或接近匹配，它對系統的振動參數變化極其敏感，而這些系統參數會 改變振動的固有頻率，因此需要一個好的控制架構來做修正。如果需要高的 品質因子（Q），驅動和感應的頻寬必須很窄。增加1%的頻寬可能降低20%的 信號輸出。(圖 a） 還有阻尼大小也會影響信號輸出。（圖 b）

MEMS陀螺仪的原理与应用优势分析MEMS陀螺仪（Micro-Electro-Mechanical Systems gyroscope）是一种利用微机电系统技术制造的陀螺仪。

它基于微机电系统（MEMS）的原理，采用微型的加速度传感器和补偿器，用于测量和检测设备的角速度和方向变化。

下面将对MEMS陀螺仪的原理和应用优势进行详细分析。

MEMS陀螺仪的原理主要基于角动量守恒定律。

当一个物体绕一个固定点旋转时，其角动量保持不变。

因此，MEMS陀螺仪通过测量和检测旋转物体围绕固定点的角动量变化来确定其角速度和方向。

在MEMS陀螺仪中，有两个主要的工作原理：电容效应和表面波效应。

首先，电容效应原理是利用固定的电容和可移动电容之间旋转的部分引起的电容变化来测量角速度。

这种原理利用了微机电系统中的微小工作间隙和电容结构，当设备旋转时，旋转的部分会引起电容间距的变化，从而产生电容变化，进而通过电路将电容变化转换为电压变化，最终测量出角速度。

其次，表面波效应原理是利用固定的波导和通过旋转感应器引起的表面波频率变化来测量角速度。

MEMS陀螺仪将固定波导和可旋转感应器相互排列，波导的表面波频率与波导材料和尺寸相关，而旋转感应器的旋转将改变波导的尺寸，进而影响表面波频率。

因此，通过测量表面波频率的变化，可以获取设备的角速度和方向信息。

MEMS陀螺仪具有许多应用优势。

首先，它具有小型化和集成化的特点。

MEMS陀螺仪利用微机电系统技术制造，可以实现微型化和集成化，从而在体积和重量上具有明显的优势。

这使得MEMS陀螺仪可以广泛应用于移动设备、汽车电子、航空航天等领域，提高产品的性能和可靠性。

其次，MEMS陀螺仪具有高精度和高灵敏度。

由于MEMS陀螺仪基于微型加速度传感器和补偿器，可以实现高精度的角速度测量和方向检测。

这使得MEMS陀螺仪在导航系统、姿态控制和稳定系统等方面具有重要应用，可以提供精确的角度信息。

此外，MEMS陀螺仪具有低功耗和低成本的特点。

MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用）MEMS传感器市场浪潮可以从最早的汽车电子到近些年来的消费电子，和即将来到的物联网时代。

如今单一的传感器已不能满足人们对功能、智能的需要，像包括MEMS惯性传感器、MEMS环境传感器、MEMS光学传感器、甚至生物传感器等多种传感器数据融合将成为新时代传感器应用的趋势。

工欲善其事，必先利其器，这里就先以MEMS陀螺仪开始，简要介绍一下MEMS陀螺仪、主要性能参数和使用。

传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理，即：对旋转的物体，它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。

MEMS陀螺仪主要利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）原理，公开的微机械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。

MEMS陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制共振运动，通过科里奥利力原理把角速率转换成一个特定感测结构的位移。

以一个单轴偏移（偏航，YAW）陀螺仪为例，通过图利探讨最简单的工作原理。

两个相同的质量块以方向相反的做水平震荡，如水平方向箭头所示。

当外部施加一个角速率，就会出现一个科氏力，力的方向垂直于质量运动方向，如垂直方向箭头所示。

产生的科氏力使感测质量发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。

因为感测器感测部分的动电极（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子参数---电容量。

下图是一种MEMS陀螺仪的系统架构，，陀螺仪的讯号调节电路可以分为马达驱动和加速度计感测电路两个部分。

其中，马达驱动部分是透过静电引动方法，使驱动电路前后振动，为机械元件提供激励；而感测部分透过测量电容变化来测量科氏力在感测质量上产生的位移。

当然，MEMS陀螺仪还具有其它功能模块，比如自检功能电路，低功耗以及运动唤醒电路等等。

下面主要介绍MEMS陀螺仪的主要性能参数。

MEMS加速度計
• 加速度計是一種慣性傳感器，主要功用為測量物 體速度變化率，一般經常被用來測量距離及衝擊 力。
• 在微機電(MEMS)技術製造的加速度計，使尺寸 大大縮小，故具有體積小、重量輕、可靠度高、 低功率等優點。
• 目前最廣泛的應用在車用電子領域(high g & low g)，近年來已有趨勢大量朝著Game 和手機的應 用。
• 陀螺儀又名角速度計，利用內部振動機械結構感測物體轉動所產生角速度， 進而計算出物體移動的角度。
• 兩者看起來很接近，不過加速度計只能偵測物體的移動行為，並不具備精確 偵測物體角度改變的能力，陀螺儀可以偵測物體水平改變的狀態，但無法計 算物體移動的激烈程度。
• 用簡單的例子就是Eee Stick 體感遙控器,這是一個類似 Wii 遊戲的遙控捍 ， 例如玩平衡木遊戲，當搖桿向前傾斜時，陀螺儀用來計算搖桿傾斜的角度， 三軸加速度計可以偵測搖桿晃動的劇烈程度以及搖桿是否持續朝斜下方。
基本ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用原理
• v = ω ×r • ω=2π/T • ω=n ×2π • a=v^2/r
=w^2 ×r =ω ×v ×r • F=ma
線速度=角速度×半徑 角速度=圓周/周期 角速度=轉速×圓周率 向心加速度=線速度平方/半徑
=角速度平方×半徑 =角速度×線速度×半徑 向心力=質量×向心加速度
MEMS陀螺儀結構
基本應用原理
• F：物體所受合外力 • m：物體質量 • a：物體的加速度
• k：物質的彈性係數 • x：位移量
• C：電容量 • ε：介電常數 • A：極板截面積 • d：板間距離
MEMS加速度計原理
物體的加速度=物質的彈性係數X位移量/物體質量

（转）陀螺仪的结构原理以及种类简介陀螺仪（Gyroscope）是测定姿态用的一种仪表。

经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，能够不依赖任何外界信息而测出、等运载体的姿态。

现代，陀螺仪这一名称已推广到没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的仪表。

发展概况1852年法国科学家J.B.L.傅科制作了一套能显示地球转动的仪器,命名为陀螺仪陀螺仪于1914年开始作为惯性基准构成飞机的电动陀螺稳定装置。

从20年代起，陀螺仪广泛应用于各种运载体（如船舶、飞机等）上，成为各种运载体的自动控制、制导和导航系统中测定姿态、角速度、角加速度、方位的重要元件。

40年代，陀螺仪开始在早期导弹上作为制导系统的姿态基准。

但是直至50年代，陀螺仪在构造原理上改进不大，大体上仍沿袭傅科所制作的陀螺仪，测量精度不高。

50年代以后陆续出现陀螺仪转子的液浮、磁浮、动压气浮、静电悬浮以及挠性支承技术，使陀螺仪的构造得到很大改善，测量精度大大提高。

1975年激光陀螺仪研制成功，它不存在机械摩擦不受重力加速度的影响，承受振动的能力强，在飞机和导弹的惯性导航系统中得到广泛应用。

结构和组成陀螺仪一般由转子、内外环和基座组成（图1[ 陀螺仪结构]）。

通过轴承安装在内环上的转子作高速旋转。

内环通过轴承与外环相连，外环又通过轴承与运动物体（基座）相连。

转子相对于基座具有3个角运动自由度，因有三自由度陀螺仪之称。

但转子实际上只能绕内环轴和外环轴转动，因而近代又称之为双自由度陀螺仪。

它又因转子可自由转向任意方向而被称为自由转子陀螺仪。

陀螺仪的转子一般就是电动机的转子。

为了保证陀螺仪的性能良好，转子的角动量要尽可能大,为此电动机的转子放在定子的外部。

此外,为使转子的转速不变而用同步电机作为陀螺电机。

在控制系统中的陀螺仪应有输出姿态角信号的元件（角度传感器）。

图1 中陀螺仪的两个输出轴（内环轴和外环轴）上均装有这种元件。

为使陀螺仪工作于某种特定状态（如要求陀螺仪保持水平基准），在内环轴和外环轴上应装力矩器，以便对陀螺仪加以约束或修正。

3D Gyro (三轴陀螺仪)在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。

陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。

传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。

指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。

我们现在常接触的便是电子式的陀螺仪，有压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪等，并且还可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。

-----------------------------------------------------MEMS陀螺仪基本技术原理要想将陀螺仪技术应用于手机、MID、手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中，将传统陀螺仪小型化是必然，为此，MEMS陀螺仪正全面走进数码设备、游戏设备。

MEMS是什么呢？MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统)是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术，其是一种可对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一整体单元的微型系统。

MEMS产品已被广泛地应用于...数码相机(防抖防震器件，使用MEMS陀螺仪产品即便在持续震动的环境中，也能准确地进行归零的动作)、笔记本电脑或MID、手机(如加速度计)、MP3/MP4、游戏机等消费电子产品中。

陀螺仪利用这种技术，可在硅片上形成微米尺度的精密谐振结构，用来感应角速度的大小和方向。

与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。

传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。

要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。

Product Express I精品推介Melexis推出全新版本的远红外（FIR）热传感器阵列MLX9064k相比当前版本的MLX90640,新版器件的热噪声显著降低，刷新率提高至64Hz,工作温度上限也提升至125°Co最新的传感技术使得温度测量功能更容易集成到应用中，尤其是在严苛的热条件下，安全性、效率和便捷性也更上一层楼。

新型MLX90641是一款16X12像素的小型IR阵列，采用符合行业标准的4引脚TO39封装，能够精确测量-40°C〜+300°C之间的温度。

器件出厂前己经过校准，在典型测量条件下精度可达到1°C。

其噪声等效温差（NETD）仅为0.1K RMS,支持更高的精度要求。

两种不同的视角（FoV）可供选择：标准55°X 35。

和110°X75°广角。

该器件采用3.3V单电源供电,可将所有结果存储在内部RAM中，以便通过FC兼容型数字接口进行访问，十分简单易用，即使在温度急剧变化的条件下，专有算法也能确保高度热稳定性。

MLX90641具有192个FIR像素点，使用性能较弱的处理器也毫无压力，有效降低了系统开销。

此外，器件不需要重新校准，进一步缩减了运营费用。

为了加速应用的开发，Melexis通过相关平台提供了MCU驱动程序软件，同时还额外提供一款用于通过热学特征对人员进行检测的软件。

温度范围的扩展开辟了多种全新的应用领域，新型MLX90641将特别适用于传统烤箱和微波炉等烹饪家电应用，以及动力电子元件过热检测和汽车等工业应用。

派克汉尼汾公司的精密流体部门推出其新型质量流量控制器X-Flowo X-Flow质量流量控制器通过长久验证的恒定流通量质量测量技术与派克流行的数字通信协议相结合，提供快速、可重复和可行的高精度流量控制。

X-Flow还具有派克跟踪系统，使客户能够跟踪资产，减少停机时间并集中文档。

此外，X-Flow附带免费下载软件Parker Floware,可以灵活地解决过程变化，下载存储的数据，查看控制器的性能以及设置警报和计数器。

几种MEMS陀螺仪（gyroscope）的设计和性能比较
现在市场上的MEMS陀螺仪主要有SYSTRON、BOSCH和INVENSENSE设计和生产。

前两者设计的陀螺仪属高端产品，主要用于汽车。

后者的属低端产品，主要用于消费类电子，象任天堂的Wii。

ADI2003年宣布设计和制造出了Z轴陀螺仪ADXRS300，但是没有正式成为产品。

下面主要介绍和比较三家公司的陀螺仪的设计、加工和性能。

一、Systron Donner “MICROGYRO” MEMS传感器：双石英调音叉
信号处理：混合信号架构，数字和模拟输出；开放回路；两个用于加速度传感器的A/D通道封装：MEMS封装在陶瓷腔体中并跟ASIC一起封装在塑料腔体中。

缺点：成本较高
Systron Donner “MICROGYRO”
二、博世BOSCH SMG 070
MEMS：平面MEMS；Z轴
信号处理：闭合回路；混合模式；自测试缺点：尺寸太大
BOSCH SMG 070
BOSCH SMG 070原理图
三、INVENSENSE IDG 300MEMS：体加工技术；用ASIC作封盖并提供收集和驱动信号的电极信号处理：开路；模拟
缺点：无零点修正；温度导致+/-50度/秒的漂移。

（汽车电子要求+/-1.5度/秒）
INVENSENSE IDG 300
INVENSENSE IDG 300原理图（曹志良）。

MEMS陀螺仪的简要介绍MEMS陀螺仪（Micro-Electro-Mechanical System gyroscope）是一种基于微机电系统技术的陀螺仪，具有小尺寸、低功耗、高灵敏度等特点。

它广泛应用于无人机、手机、平衡车等设备中，用于测量角速度和方向。

首先，我们来看一下MEMS陀螺仪的性能参数。

主要包括灵敏度、测量范围、精确度和稳定性。

1.灵敏度：指陀螺仪对角速度变化的感知程度，通常以每秒多少度/秒来表示。

灵敏度越高，陀螺仪对角速度变化的检测越精准。

2.测量范围：指陀螺仪能够测量的角速度的最大值和最小值。

通常以度/秒为单位，在不同应用场景下需根据需求选择合适的测量范围。

3.精确度：指陀螺仪测量结果与真实值之间的偏差。

精确度越高，陀螺仪的测量结果越接近真实值。

4.稳定性：指陀螺仪在长时间使用过程中保持测量精度的能力。

稳定性包括零漂、温漂等参数，可通过校准等方法来提高。

1.姿态控制：MEMS陀螺仪被广泛应用于飞行器、导航设备等需要进行姿态控制的设备中。

通过测量角速度变化，可以帮助设备实时检测自身的姿态，从而进行调整和控制。

2.稳定平台：MEMS陀螺仪可以用于制作稳定平台，如相机防抖系统。

通过补偿相机的晃动，可以提高拍摄的稳定性和图像质量。

3.导航定位：MEMS陀螺仪可以与其他传感器（如加速度计、磁力计）结合使用，用于导航和定位应用。

通过测量角速度和加速度，可以估计设备的位置和方向。

4.虚拟现实和增强现实：MEMS陀螺仪可以用于虚拟现实和增强现实设备中，如头戴式显示器和手持设备。

通过检测用户头部的旋转动作，可以实现对虚拟场景的观察和交互。

5.运动追踪：MEMS陀螺仪可以用于运动追踪设备中，如运动手柄和运动传感器。

通过测量角速度和加速度，可以捕捉用户的运动，实现与设备的交互。

综上所述，MEMS陀螺仪是一种小尺寸、低功耗、高灵敏度的陀螺仪，广泛应用于姿态控制、稳定平台、导航定位、虚拟现实和运动追踪等领域。

信号源 功率放大电路 电压/电流转化 陀螺
开环电磁驱动电路原理框图
反馈信号
放大电路
高通滤波
低通滤波
驱动反馈检测电路原理框图
稳压 电源 惠斯通电 桥电路 放大 电路 解调 电路 滤波 电路
驱动 信号
跟随 电路
移相 电路
输出 信号
敏感器件检测电路原理框图
*
微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构， 材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式[2]。
ω
V
ac
*
y ω
x V
ac
假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用 右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简 谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用 这一原理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿 效应检测的微机械陀螺结构[19]）。
*
一种电磁驱动压阻检测式的MEMS陀螺仪驱动及检测原理
各种原理的陀螺仪
微 机 械 陀 螺 仪 (MEMS gyroscope) 主 要 有转子式、振动式微机 械陀螺仪和微机械加速 度计陀螺仪三种。转子 式的MEMS陀螺较为少见， 振动式和微加速度计式 的微陀螺基本原理一致 ， 都是利用柯氏效应。 目前，MEMS陀螺仪 基本都是振动式的[3]。
体积微小的微机械陀螺
结构 设计
驱动力设计 驱动模态特性设计 驱动位移设计 检测位移设计
理论 分析
仿真 分析
检测模态特性设计
检测应力设计 结构灵敏度设计
结构设计方法 作用：进行结果的相互对比、验证与校核
结构设计相关内容
*
结构参数 优化设计
静态分析
结构应力
哥氏效应
瞬态分析

命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K.考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。

2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。

3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他人考试者，双方均给予开除学籍处理。

并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。

MEMS 陀螺仪简介及其应用杨永 110204116摘要：自陀螺仪问世，因其独特的性能，广泛地应用于航海、航空、航天以及国民经济等领域。

陀螺及其相关技术一直是各国重点发展的技术之一，发展十分迅速。

迄今为止，陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。

液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。

随着光电技术、微米/纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。

它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。

因其无活动部件，称为固态陀螺仪。

这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。

关键词： MEMS ；陀螺仪；光学陀螺；微机械陀螺1.MEMS 概述MEMS 是英文Micro Electro Mechanical systems 的缩写，即微电子机械系统。

微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology ）基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。

它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。

这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA 和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

陀螺仪的功能种类中文名称：陀螺仪英文名称：gyroscope定义：利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。

利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

陀螺仪绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。

通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。

由苍蝇后翅（退化为平衡棒）仿生得来。

在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。

陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。

陀螺仪的基本部件陀螺仪的基本部件有：(1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

陀螺仪的原理基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。

陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现在，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。

陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。

人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。

研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。

MEMS陀螺仪介绍MEMS陀螺仪（Micro-electromechanical system gyroscope）是一种利用微机电系统技术制造的陀螺仪。

它是一种测量角速度或角位移的传感器。

MEMS陀螺仪在航空航天、导航、惯性导航、虚拟现实、机器人和消费电子等领域中发挥着重要的作用。

本文将介绍MEMS陀螺仪的工作原理、分类、应用领域以及未来发展方向。

一、工作原理MEMS陀螺仪的关键部分是MEMS振动结构，它包括一个振动质量块和与之相连的弹性支撑结构。

当旋转速度发生变化时，质量块会感受到科氏力产生的偏移力，从而引起振动结构的振动变化。

通过测量振动结构的变化，可以得到旋转速度的信息。

二、分类根据工作原理的不同，MEMS陀螺仪可以分为容积扩散器陀螺仪、震动陀螺仪和光纤陀螺仪。

容积扩散器陀螺仪基于压电效应，通过测量振动微结构的容积变化来测量旋转速度。

震动陀螺仪则通过测量加速度和角位移之间的关系来得到旋转速度。

光纤陀螺仪则利用光的干涉效应来测量角速度。

容积扩散器陀螺仪是目前应用较广泛的MEMS陀螺仪，其精度和灵敏度较高。

震动陀螺仪是一种新兴的技术，具有体积小、功耗低等优势，逐渐被广泛应用。

三、应用领域1.导航和惯性测量单元：MEMS陀螺仪可以用于航空航天、导航和惯性测量单元中，用于测量飞行器的姿态和角速度，为导航和控制提供准确的数据。

2.虚拟现实和游戏：MEMS陀螺仪可以用于虚拟现实头盔和游戏手柄中，用于感知用户的头部运动和手柄的姿态变化，实现交互的沉浸式体验。

3.移动设备：MEMS陀螺仪也被广泛应用于手机、平板电脑和智能手表等移动设备中，用于实现屏幕旋转、手势控制和陀螺仪导航等功能。

4.机器人和自动驾驶：MEMS陀螺仪可以用于机器人和自动驾驶车辆中，用于感知和控制机器人或车辆的姿态和运动状态，实现精确的导航和控制。

四、未来发展方向随着技术的不断进步，MEMS陀螺仪仍然具有很大的发展潜力。

未来的发展方向主要包括以下几个方面：1.提高精度和稳定性：MEMS陀螺仪目前的精度和稳定性还有改进的空间。

基于MEMS技术的陀螺仪设计及其性能优化研究MEMS，即微机电系统，是一种集微电子、光学、机械、热学、生物和化学等学科于一体的微小结构。

它具有小巧精致、可集成化、多功能性、低成本等优点，逐渐成为各个领域的研究热点之一。

其中，MEMS陀螺仪通过精密和超微观的工作原理，可以实现对物体的姿态变化等信息的测量，因此在导航、航空航天、车辆控制、医疗设备和工业自动化等领域有着重要的应用。

一、MEMS陀螺仪的基本原理MEMS陀螺仪的基本原理是通过利用微机电技术，制造微小结构的振动元件或超微观的结构平台，并采用压电效应或微机电自感应等方法，将微小的转动或振动信号转化为电信号输出。

其最基本的工作原理可以分为两种类型：一种是基于角位移的MEMS陀螺仪，另一种是基于角速度的MEMS陀螺仪。

对于基于角位移的MEMS陀螺仪，其主要原理是通过惯性力矩的作用，实现对物体的角位移进行测量。

由于MEMS陀螺仪的结构特殊，可以实现微小的角度位移的检测。

其具体实现方式是利用位移传感器检测陀螺仪自身的角度变化，然后将检测到的微小信号放大并进行解算，得到准确的角度变化值。

而基于角速度的MEMS陀螺仪，则通过测量物体的角速度进行相应的测量。

其工作原理是利用光学或机械传感器等装置，将物体的旋转速度转化为绕着某个轴的力矩，然后将这个力矩转化为一个输出电压。

由于MEMS陀螺仪的响应速度特快，可以实时测量出物体的角速度，并通过数字电路或计算机进行数据处理，以获得更加准确的测量结果。

二、MEMS陀螺仪的设计方案根据MEMS陀螺仪的工作原理，其最基本的设计框架包括振动系统、传感器和数据处理系统三个部分。

对于振动系统，其关键在于采用高精密的微机电制造工艺，设计出具有高精度和高稳定性的振动元件或结构平台。

而对于传感器，需要采用高灵敏度、高精度的传感器，如压电传感器、光学传感器、力传感器、磁传感器等，以实现对物体微小姿态的精确检测。

而在数据处理系统方面，则需要利用数字电路、计算机、微控制器等设备，对从陀螺仪传感器获取到的数据进行采集、处理和分析。

m， （c）第二次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 从而形成6 m深的键合台面和14个2 m高 的止挡。
（d）铝牺牲层工艺。溅射铝膜500nm。去 胶剥离多余铝，形成铝质薄膜牺牲层。 （e）第一次玻-硅键合。将硅片正面与制备 了电极的底层玻璃进行静电键合。

（f）硅片减薄。采用湿法刻蚀将硅片厚度 减至约80 m，再用抛光液在聚氨酯盘上进 行抛光。
3、LIGA和准LIGA工艺。通过电铸方法加工出大高宽比的可活动微结构，机械 性能好，灵敏度高，但工艺难度大，成本高。
体硅深刻蚀释放工艺
（1）刻蚀浅槽
（4）阳极键合
（2）表面掺杂
（5）硅片减薄
（3）金属电极
（6）释放结构
体硅深刻蚀释放工艺
牺牲层工艺
由于转子无任何机械约束，若在电感耦合等离子体ICP刻蚀过程中将 转子一次性释放，则转子容易在膨胀气体作用下迸出。在工艺设计 中引入铝牺牲层对转子进行约束，牺牲层为薄膜梁结构，铝牺牲层 均匀覆盖在转子底层内外两侧，厚度为500nm。在结构加工完成后， 采用湿法刻蚀将牺牲层去除。
工艺流程
加工工艺流程（2）
（g）第3次RIE刻蚀。刻蚀深度为4 m，形 成4 m高的顶部键合台面。 （h）第4次RIE刻蚀。刻蚀深度为2 m，形 成6 m深的键合台面和2 m高的止挡。 （i）ICP释放结构。采用刻蚀机将硅结构层 刻透，形成径向电极、导通硅和转子。 （j）第2次玻-硅键合。将硅背面与顶层玻璃 进行静电键合。 （k）划槽和裂片。按照玻璃片上已有的划 片标记对组合片进行手工划片，裂片得到单 个管芯。 (l)湿法去除铝牺牲层。裂片后，将管芯浸泡 在配置好的铝刻蚀剂中，在超声波环境中将 其去除，最后清洗、烘干，得到转子可动的 微结构。
加工工艺流程（1）

产品一：全自动积分式陀螺经纬仪(全站仪)该产品采用积分法测量原理，在测量中除架设和瞄准外，整个过程无需任何人工操作，测量结束后，直接显示真北方位角。

实现了测量全过程的自动限幅、自动锁放、自主寻北。

该种型号的陀螺经纬仪（全站仪）在寻北精度及操作性方面在国内处于领先地位，可应用于高精度基准方位边的建立及火炮、雷达、大地测量、工程测量和矿山贯通测量等领域。

技术指标▪寻北精度：≤ 5″（1σ）▪寻北时间：≤12 min▪工作模式：寻北全自动▪工作温度：－20 ℃～＋50 ℃▪使用纬度：75°S～75°N▪主机重量（不含经纬仪）：≤15kg▪主机体积（不含经纬仪）：φ230mm（最大直径）×430mm（高）产品特性▪积分法测量原理，可实现高精度寻北▪采用直流永磁陀螺电机，降低陀螺敏感部温升，设备稳定性好▪在较大偏北角(± 10°)条件下，自动完成粗寻北及精寻北过程，操作简单▪陀螺敏感部上锁、解锁全自动，仪器自动化程度高▪陀螺敏感部采用下挂式摆式陀螺，便于操作▪多层磁屏机构，屏蔽外部磁场，设备抗干扰能力强产品二：全自动阻尼式陀螺经纬仪(全站仪)该产品采用阻尼跟踪法测量原理，自动跟踪、自动锁放，整个测量过程中吊带不受扭，能够在较大偏北角条件下自动完成粗寻北及精寻北过程。

测量结束后，在陀螺经仪（全站仪）上直读真北方位角。

该种型号的陀螺经纬仪（全站仪）寻北速度快、体积小、环境适应性强。

可为火炮、雷达提供初始方位基准，并可应用于大地测量、工程测量和矿山贯通测量等领域。

技术指标▪寻北精度：≤ 15″（1σ）（初始架设角≤± 15°)▪寻北精度：≤ 10″（1σ）（初始架设角≤± 7°)▪寻北时间: ≤ 5min▪工作模式: 寻北全自动▪工作温度: －40 ℃～＋50 ℃▪使用纬度: 75°S～75°N▪主机重量（不含经纬仪）: ≤ 13 kg▪主机体积（不含经纬仪）: φ200mm（最大直径）×450mm（高）产品特性▪阻尼跟踪法测量原理，吊带不受扭，仪器可靠性强▪采用直流永磁陀螺电机，降低陀螺敏感部温升，设备稳定性好▪在较大偏北角(± 10°)条件下,自动完成粗寻北及精寻北过程，操作简单▪阻尼机构设计使陀螺自转轴快速收敛于子午面，定向速度快▪陀螺敏感部上锁、解锁全自动，自动化程度高▪多层磁屏机构，屏蔽外部磁场，设备抗干扰能力强▪陀螺敏感部采用下挂式摆式陀螺，便于操作▪仪器设计紧凑，便于携带产品三：积分式陀螺经纬仪（全站仪）该产品采用积分法测量原理，在测量过程中只需将陀螺摆幅限制到一定的范围内，便可实现陀螺寻北的自动积分测量。