微機械陀螺儀

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儀均采用振動物體傳感角速度的概念。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(zhuǎn)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(chǎn)。

絕大多數(shù)微機械陀螺儀依賴于由相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力。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(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中振動和轉(zhuǎn)動誘導的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式。

通過改進設計和靜電調(diào)試使得驅(qū)動和傳感的共振頻率一致，以實現(xiàn)最大可能的能量轉(zhuǎn)移，從而獲得最大靈敏度。大多數(shù)微機械陀螺儀驅(qū)動和傳感模式完全匹配或接近匹配，它對系統(tǒng)的振動參數(shù)變化極其敏感，而這些系統(tǒng)參數(shù)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(zhì)因子（Q），驅(qū)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(qū)動部分（圖六）和電容板形狀的傳感部分組成（圖八）。有的設計還帶有去驅(qū)動和傳感耦合的結構。（圖九）

微機械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理 傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉(zhuǎn)動的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術在硅片襯底上加工出一個可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)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、科里奧利加速度和切向加速度。

如果物體在圓盤上沒有徑向運動，科里奧利力就不會產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設計上，這個物體被驅(qū)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，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)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（有點像加速度計中的自測試模式），橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化（就像加速度計測量加速度）。因為科里奧利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計算出角速度。

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芯片分開平放連線的封裝方法。來自（BOSCH SMG 070原理圖）