機(jī)械陀螺儀簡(jiǎn)介

機(jī)械陀螺儀以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，具有高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子或振動(dòng)的部件。常見(jiàn)的機(jī)械陀螺儀有剛體轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺儀、振動(dòng)陀螺儀和半球諧振陀螺儀等。剛體轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺儀是把高速旋轉(zhuǎn)的剛體轉(zhuǎn)子支承起來(lái)，使之獲得轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的一種裝置，它可用來(lái)測(cè)量角位移或角速度；振動(dòng)陀螺儀是利用振動(dòng)叉旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏角加速度效應(yīng)做成的測(cè)量角速度的裝置；半球諧振陀螺儀則利用振動(dòng)杯旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏加速度效應(yīng)做成的測(cè)量角位移的裝置。 2100433B

微機(jī)械陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣，但是公開(kāi)的微機(jī)械陀螺儀均采用振動(dòng)物體傳感角速度的概念。利用振動(dòng)來(lái)誘導(dǎo)和探測(cè)科里奧利力而設(shè)計(jì)的微機(jī)械陀螺儀沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件、不需要軸承，已被證明可以用微機(jī)械加工技術(shù)大批量生產(chǎn)。

絕大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀依賴(lài)于由相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。振動(dòng)物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu)懸掛在基底之上。整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。

通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和靜電調(diào)試使得驅(qū)動(dòng)和傳感的共振頻率一致，以實(shí)現(xiàn)最大可能的能量轉(zhuǎn)移，從而獲得最大靈敏度。大多數(shù)微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)和傳感模式完全匹配或接近匹配，它對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)變化極其敏感，而這些系統(tǒng)參數(shù)會(huì)改變振動(dòng)的固有頻率，因此需要一個(gè)好的控制架構(gòu)來(lái)做修正。如果需要高的品質(zhì)因子（Q），驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)的頻寬必須很窄。增加1%的頻寬可能降低20%的信號(hào)輸出。(圖五(a)） 還有阻尼大小也會(huì)影響信號(hào)輸出。（圖五(b)）

（圖五）

一般的微機(jī)械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分（圖六）和電容板形狀的傳感部分組成（圖八）。有的設(shè)計(jì)還帶有去驅(qū)動(dòng)和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。（圖九）

微機(jī)械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理 傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動(dòng)量守恒原理，因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機(jī)械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機(jī)械陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。下面是導(dǎo)出科里奧利力的方法。有力學(xué)知識(shí)的讀者應(yīng)該不難理解。

在空間設(shè)立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系（圖一）。用以下方程計(jì)算加速度可以得到三項(xiàng)，分別來(lái)自徑向加速、科里奧利加速度和切向加速度。

如果物體在圓盤(pán)上沒(méi)有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。（圖二）MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)（有點(diǎn)像加速度計(jì)中的自測(cè)試模式），橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化（就像加速度計(jì)測(cè)量加速度）。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。

圖三是2軸MEMS陀螺儀。它采用了閉合回路、數(shù)字輸出和傳感器芯片跟ASIC芯片分開(kāi)平放連線的封裝方法。來(lái)自（BOSCH SMG 070原理圖）