MEMS谐振陀螺的工作原理和技术现状

　　谐振陀螺的工作原理可以世界上第一个实际应用的MEMS陀螺为例说明。

　　MEMS谐振陀螺仪是一种测量角速度的惯性传感器，具有体积小、重量轻、成本低、易集成等诸多优点，因此在众多领域都有广泛的应用前景。

　　MEMS谐振陀螺的工作原理

　　振动陀螺仪是利用改变振动物体振动平面的方向来产生陀螺力矩，其主体是一个作高频微幅振动的元件，利用高速振动的质量在被基座带动旋转时所产生的哥氏效应来敏感角运动。

　　谐振陀螺的工作原理可以世界上第一个实际应用的MEMS陀螺为例说明。

　　上图所示是美国Draper实验室研发的单晶硅双质量音叉陀螺，采用谐振陀螺工作原理，测量y方向角速率输入Ω0。振动质量M1和M2作为敏感单元，能够在x和z两个方向振动。x方向振动产生运动速度，与角速率输入Ω0相互作用，产生z方向的Coriolis加速度。振动质量块在z方向受到Coriolis惯性力作用产生强迫振动。z方向的振动幅值大小就代表了Coriolis加速度的大小，再按照简单的比例关系就可以计算角速率输入的大小。

　　

　　音叉陀螺工作原理简图

　　还有一类典型的环状陀螺，类似半球谐振陀螺的工作原理，只是现阶段在MEMS陀螺中用圆环结构代替了。圆环振动后圆环变形为一个椭圆（图2中虚线）。波腹点的振动速度最大，与z方向的角速率输入在Coriolis效应影响下产生径向的Coriolis惯性力Fc，迫使圆环在45°方向产生椭圆形状振动。检测45°方向振动的振幅就可以计算出Coriolis效应的强度，按照比例得到角速率输入的大小。

　　

　　振动圆环陀螺的结构和工作原理

　　MEMS谐振陀螺的技术现状

　　MEMS谐振陀螺最大的特点就是功耗低、体积小、低成本和批量化。消费类电子产品将这个特点发挥到了极致，神秘的高大上惯性仪表因为MEMS技术而走下神坛，融入到我们的日常生活中，在手机里，在汽车上，甚至在我们带的手表里，穿的衣服里无时无刻不在为我们服务。

　　以高精度、高可靠为最大需求的军用市场同样日趋青睐这样的技术优势。越来越多的小型或微型宇航、航空、武器平台因为仪表的小型化而使总体小型化、规模化成为可能。无人机就是最好的例子。当陀螺惯组可以用￥100元以内的价格买到时，作为无人机核心的飞行控制系统就可以用￥500元以内的价格完成，￥2000元甚至更低价格的消费类无人机就遍地开花了。

　　从2010年以来，MEMS惯性仪表结构设计和前道加工工艺已经日趋成熟，封装技术是近五年来的研究热点。通过封装技术的层层推进，消费类电子的集成度越来越高。如BOSCH采用堆叠封装的方法实现1.5mm×1mm三轴加速度计仪表和2.6mm×2mm三轴一体陀螺。

　　近年，消费类电子产品大量应用高集成度的MEMS惯性组合。高密度封装技术满足了消费类电子对体积、成本、功耗的苛刻要求。如ST公司、Bosch公司、InvenSense公司都实现单芯片内3轴陀螺、3轴加速度计、3轴磁强计的封装。

　　基于封装的陀螺敏感结构应力释放方法对仪表精度提高的效果十分的明显。所以2010年后Sensonor投入大量研究力量集中在研究仪表敏感结构的无应力封装技术上。

　　再谈谈石英音叉陀螺，虽然迄今为止石英音叉陀螺是否属于MEMS概念覆盖的范畴仍旧在学术界有一定争议，但不得不说石英的加工工艺要比硅MEMS历史更悠久，技术更成熟稳定。所以石英音叉陀螺更早面向市场，更广泛地得到了应用，更稳定地表现使它在50年的历史中长盛不衰。石英材料本身的稳定性也比硅材料更具优势，天然的压电效应让结构本身即作为机械体也作为电学测量元件。