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。vobu
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。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。
2.MEMS陀螺仪（gyroscope）介绍
2.1MEMS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、里奥利加速度和向心加速度。
图一 动态坐标系
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。（图二）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。
图二、MEMS陀螺仪的驱动和传感
图三是Z轴MEMS陀螺仪。它采用了闭合回路、数字输出和传感器芯片跟ASIC芯片分开平放连线的封装方法。
图三、BOSCH SMG 070原理图
2.2MEMS陀螺仪(gyroscope)的结构
MEMS陀螺仪（gyroscope）的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的MEMS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而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。
绝大多数MEMS陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。（图一）
果蔬包装机>scop-369 （图一）
通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致，以实现最大可能的能量转移，从而获得最大灵敏度。大多数MEMS陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配，它对系统的振动参数变化极其敏感，而这些系统参数会改变振动的固有频率，因此需要一个好的控制架构来做修正。如果需要高的品质因子（Q），驱动和感应的频宽必须很窄。增加1%的频宽可能降低20%的信号输出。(图二(a)） 还有阻尼大小也会影响信号输出。（图二(b)）
（图二）
一般的MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分（图三）和电容板形状的传感部分组成。（图五）有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。（图六）
（图三）
（图四）
透明显示
（图五）
（图六）
3 .MEMS陀螺仪（gyroscope）的分类及其比较
根据最近几年国内外的文献，目前常见几种陀螺的精度范围如下图1描述： 陀螺的精度范围 图一无动力除尘
从图1可以看出，陀螺精度的分布相差大约8个数量级，那么根据其精度范围可大致分为三部分：超高精度陀螺仪、中高精度陀螺仪和低精度陀螺仪。
3.1超高精度陀螺仪
超高精度陀螺仪指精度在10-6o/h—5X10-5。/h范围内的陀螺仪，主要包括静电陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电陀螺仪，这种陀螺的精度还有进一步提高的潜力，至少在未来一个阶段还将占据领先地位。液浮陀螺在导航中已得到最广泛的应用，如在舰船的陀螺罗经和惯性导航系统。液浮陀螺在今后几年还将继续发挥作用，这是因为液浮陀螺已建立良好的加工工艺，并形成了一定的生产基础。不过就目前的现状来看，再投入人力物力去研制新的液浮陀螺已没有必要，这是因为进一步提高液浮陀螺的精度已很困难，并且现在已经有高精度的静电陀螺。
磁浮陀螺的研制已有三十多年历史，但没有得到广泛使用，这是因为在超高精度方面静电陀螺更具优势，而在中、高精度方面的应用液浮陀螺又长期占主导地位。所以说精度接近10-4o／h的磁浮陀螺只能在一些特定的领域得到使用，此外它的使用还要受成本因素的制约。俄罗斯研制一种球形磁浮陀螺，采用球形磁悬浮转子，在高真空下高速旋转，其工作原理类似于静电陀螺，但它靠的是电磁力作为支承。由于采用低廉的电磁材料及简便的生产过程，并进行自动化生产，故价格较低。同价格昂贵的静电陀螺相比具有性价比的优势。
球形磁浮陀螺应用在半解析式惯性导航系统中，体积小精度高，其缺点是过载能力低，启动时间长，只能适用于航海上。
3.2中高精度陀螺仪
中高精度陀螺仪指精度在5X10-4o/h到10-1o/h的陀螺仪。这种精度范围的陀螺仪种类很多，这样经济成本就成为选择陀螺仪的一个重要因素。目前最具有发展前景的陀螺仪就是光学陀螺仪，主要指激光陀螺和光纤陀螺，其工作原理都是基于萨纳克（Sagnac）效应。光纤陀螺的工作原理与激光陀螺的不同之处仅在于光纤陀螺是用光导纤维缠绕成一个线圈所构成的光路来代替用石英玻璃加工出的密封空腔光路。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。
最近几年，由于光纤陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潜力，越来越受到各国陆海空
三军的青睐。这是因为光纤陀螺同机电陀螺或激光陀螺相比，其主要优点在于：1.无活动部件，体积小，结构简单，耐冲击；2.启动时间短，仅需零点几秒即可工作；3.动态范围宽，测量范围在0.01oamadori/h—400o/s；易于采用集成光路技术，信息稳定可靠，可直接数字输出，便于与计算机接口；4.检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了几个数量级，克服了激光陀螺仪的闭锁问题。有关专家认为：精度在10-2o/h或者更高的光纤陀螺将代替激光陀螺，这是发展趋势。
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