微機械陀螺儀

標籤: 暫無標籤

543

更新時間: 2013-08-31

廣告

微機械陀螺儀 -什麼是微機械(MEMS)
  微機械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫,即微電子機械系統。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術(micro/nanotechnology)基礎上的 21世紀前沿技術,是指對微米/納米材料進行設計、加工、製造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠採集、處理與發送信息或指令,還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令採取行動。它用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術)相結合的製造工藝,製造出各種性能優異、價格低廉、微型化的感測器、執行器、驅動器和微系統。微電子機械系統(MEMS)是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術,該技術將對未來人類生活產生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。2。微機械陀螺儀(MEMS gyroscope)的工作原理 傳統的陀螺儀主要是利用角動量守恆原理,因此它主要是一個不停轉動的物體,它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。   但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的,因為要用微機械技術在矽片襯底上加工出一個可轉動的結構可不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。下面是導出科里奧利力的方法。有力學知識的讀者應該不難理解。   在空間設立動態坐標系(圖一)。用以下方程計算加速度可以得到三項,分別來自徑向加速、科里奧利加速度和向心加速度。  科里奧利力
  動態坐標系
  公式推導
  如果物體在圓盤上沒有徑向運動,科里奧利力就不會產生。因此,在MEMS陀螺儀的設計上,這個物體被驅動,不停地來回做徑向運動或者震蕩,與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化,並有可能使物體在橫向作微小震蕩,相位正好與驅動力差90度。(圖二)MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動(有點象加速度計中的自測試模式),橫向的電容板測量由於橫向科里奧利運動帶來的電容變化(就象加速度計測量加速度)。因為科里奧利力正比於角速度,所以由電容的變化可以計算出角速度。     BOSCH SMG 070原理圖
圖三是2軸MEMS陀螺儀。它採用了閉合迴路、數字輸出和感測器晶元跟ASIC晶元分開平放連線的封裝方法。
微機械陀螺儀 -微機械陀螺儀的結構
  微機械陀螺儀的設計和工作原理可能各種各樣,但是公開的  微機械陀螺結構示意圖
微機械陀螺儀均採用振動物體感測角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設計的微機械陀螺儀沒有旋轉部件、不需要軸承,已被證明可以用微機械加工技術大批量生產。   絕大多數微機械陀螺儀依賴於由相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力。振動物體被柔軟的彈性結構懸挂在基底之上。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里奧利力把正比於角速度的能量轉移到感測模式。   通過改進設計和靜電調試使得驅動和感測的共振頻率一致,以實現最大可能的能量轉移,從而獲得最大靈敏度。大多數微機械陀螺儀驅動和感測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  驅動和感應的頻寬
,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。(圖五(a)) 還有阻尼大小也會影響信號輸出。(圖五(b))   (圖五)   一般的微機械陀螺儀由梳子結構的驅動部分(圖六)和電容板形狀的感測部分組成(圖八)。有的設計還帶有去驅動和感測耦合的結構。(圖九)     梳子結構的驅動部分
  感測耦合的結構 ?
微機械陀螺儀 -微機械陀螺儀的性能參數

  MEMS陀螺儀的重要參數包括:解析度(Resolution)、零角速度輸出(零位輸出)、靈敏度(Sensitivity)和測量範圍。這些參數是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標誌,同時也決定陀螺儀的應用環境。   解析度是指陀螺儀能檢測的最小角速度,該參數與零角速度輸出其實是由陀螺儀的白雜訊決定。這三個參數主要說明了該陀螺儀的內部性能和抗干擾能力。對使用者而言,靈敏度更具有實際的選擇意義。測量範圍是指陀螺儀能夠測量的最大角速度。不同的應用場合對陀螺儀的各種性能指標有不同的要求。
編輯本段單軸和雙軸MEMS陀螺儀?
  單軸和雙軸MEMS角速度感測器(陀螺感測器)新產品群。該系列主要用於遊戲機、輸入設備、導航儀、PND及數碼相機等。   單軸產品可檢測偏擺方向。雙軸產品備有可檢測俯仰方向及滾轉方向的品種,以及可檢測俯仰方向及偏擺方向的品種。可檢測的角速度因品種而異,最大為30~6000度/秒。輸出為模擬信號。各產品備有對各軸信號進行1倍(無放大)輸出和放大至4倍的兩個埠。降低了溫度誤差以及隨時間變化的誤差。零點溫度漂移為0.05度/秒/℃。雜訊方面,可檢測的角速度為最大30度/秒的品種控制在了0.014度/秒/√Hz。   電源電壓範圍為+2.7~3.6V。封裝採用5mm×5mm×1.5mm的16端子LGA。工作溫度範圍為-40~+85℃。

微機械陀螺儀 -MEMS陀螺的應用

 微機械陀螺儀用於測量汽車的旋轉速度(轉彎或者打滾),它與低加速度計一起構成主動控制系統。所謂主動控制系統就是一旦發現汽車的狀態異常,系統在車禍尚未發生時及時糾正這個異常狀態或者正確應對個異常狀態以阻止車禍的發生。比如在轉彎時,系統通過陀螺儀測量角速度就知道方向盤打得過多還是不夠,主動在內側或者外側車輪上加上適當的剎車以防止汽車脫離車道。現在這種系統主要安裝於高端汽車上。   目前在汽車MEMS市場,壓力計和加速度計還是占較大份額,(圖十四)但是隨著對汽車安全性能要求越來越高,尤其是在北美和歐洲穩定性主控系統的安裝率節節攀升,陀螺儀的市場增長率明顯比前兩類要快,在2011年預期達到10%。

廣告

廣告