MEMS微陀螺儀研究進展

MEMS微陀螺儀研究進展一、本文概述隨著科技的不斷發(fā)展，微納傳感器在各類工業(yè)、科研以及消費領域中的應用越來越廣泛，其中，微陀螺儀作為一種關鍵的角速度傳感器，在導航、姿態(tài)控制、地震監(jiān)測等領域具有不可替代的作用。本文旨在全面綜述近年來MEMS（微機電系統(tǒng)）微陀螺儀的研究進展，通過對相關文獻的梳理和分析，展現該領域的研究成果、現狀以及未來發(fā)展趨勢。本文首先將對MEMS微陀螺儀的基本原理和分類進行簡要介紹，為后續(xù)研究提供理論基礎。隨后，將重點分析當前MEMS微陀螺儀在結構設計、材料選擇、制造工藝以及性能優(yōu)化等方面的最新研究成果，并探討這些成果在實際應用中的潛力和挑戰(zhàn)。本文還將關注微陀螺儀的集成化、智能化和微型化的發(fā)展趨勢，并探討未來研究方向和應用前景。通過對MEMS微陀螺儀研究進展的全面梳理和分析，本文旨在為相關領域的研究人員和技術人員提供有價值的參考信息，推動微陀螺儀技術的進一步發(fā)展，并促進其在更多領域中的廣泛應用。二、微陀螺儀設計原理微陀螺儀，即微型陀螺儀，是一種基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的慣性傳感器，用于測量和維持方向。其核心設計原理主要基于科里奧利力（Coriolisforce）的作用?？评飱W利力是一個在旋轉參考系中觀察到的慣性力，當一個物體在旋轉參考系中沿某一方向直線運動時，會受到一個垂直于運動方向和旋轉軸方向的力，這個力就是科里奧利力。在微陀螺儀的設計中，一個關鍵部分是振動元件，它通常被設計成在某一方向上振動。當微陀螺儀旋轉時，振動元件受到的科里奧利力會導致其振動方向發(fā)生偏移，這個偏移量就是旋轉角速度的度量。通過檢測這個偏移量，我們就可以確定微陀螺儀的旋轉角速度。微陀螺儀的設計還涉及到許多復雜的工程問題，如振動元件的模態(tài)控制、結構優(yōu)化設計、噪聲抑制等。為了提高微陀螺儀的性能，設計者們需要綜合考慮這些問題，并采用先進的加工技術、材料科學和電路設計等手段，確保微陀螺儀的精度、穩(wěn)定性和可靠性。微陀螺儀的設計原理是基于科里奧利力的測量，通過振動元件的偏移量來確定旋轉角速度。在這個過程中，需要運用多種工程技術和科學知識，以確保微陀螺儀的性能達到最優(yōu)。隨著技術的進步，微陀螺儀在航空航天、汽車導航、消費電子等領域的應用前景將越來越廣闊。三、微陀螺儀制造技術隨著微納技術的飛速發(fā)展，微陀螺儀的制造技術也在不斷進步。目前，微陀螺儀的制造主要涉及到精密機械加工、微電子加工、微細加工以及新型材料的應用等多個領域。這些技術不僅為微陀螺儀的小型化、集成化和高精度提供了可能，也為其在航空航天、汽車電子、消費電子產品等領域的應用奠定了堅實的基礎。精密機械加工技術是微陀螺儀制造的基礎。通過采用超精密車削、超精密磨削、超精密研磨與拋光等技術，可以實現對微陀螺儀結構件的高精度加工。同時，利用激光加工、電火花加工等特種加工技術，可以實現對復雜結構件的精確制造。微電子加工技術為微陀螺儀的集成化提供了有效的手段。通過采用薄膜沉積、光刻、刻蝕等微電子加工技術，可以在硅片上制造出微小的結構，實現微陀螺儀的集成化制造。利用微電子加工技術還可以制造出具有特定功能的微型傳感器和微執(zhí)行器，提高微陀螺儀的性能。微細加工技術是實現微陀螺儀高精度制造的關鍵。通過采用微細電火花加工、微細激光加工、微細切削加工等技術，可以實現對微陀螺儀微小結構的精確制造。這些技術不僅可以提高微陀螺儀的精度和穩(wěn)定性，還可以降低制造成本，提高生產效率。新型材料的應用為微陀螺儀的性能提升提供了可能。隨著新材料研究的深入，新型材料如陶瓷、高分子材料、復合材料等被廣泛應用于微陀螺儀的制造中。這些材料具有優(yōu)異的力學性能、熱學性能和化學穩(wěn)定性，可以有效提高微陀螺儀的性能和可靠性。隨著微納技術的不斷進步和創(chuàng)新，微陀螺儀的制造技術也在不斷發(fā)展和完善。未來，隨著新材料、新工藝的不斷涌現和應用，微陀螺儀的性能和可靠性將得到進一步提升，其在各個領域的應用也將更加廣泛。四、微陀螺儀性能優(yōu)化隨著微陀螺儀在各個領域的應用日益廣泛，對其性能的要求也越來越高。因此，微陀螺儀的性能優(yōu)化成為了研究的重點。性能優(yōu)化主要包括提高精度、降低噪聲、提高穩(wěn)定性等方面。提高精度：精度是衡量微陀螺儀性能的重要指標。為了提高精度，研究者們從材料、結構、工藝等多個方面進行了優(yōu)化。例如，采用新型的高性能材料，如硅碳氮化物等，以提高微陀螺儀的機械性能和熱穩(wěn)定性。在結構設計上，通過優(yōu)化敏感結構、提高模態(tài)匹配度等方式，提高微陀螺儀的靈敏度。同時，采用先進的微納加工技術，如深反應離子刻蝕（DRIE）、激光微加工等，實現微陀螺儀的高精度制造。降低噪聲：噪聲是影響微陀螺儀精度的主要因素之一。為了降低噪聲，研究者們采用了多種方法。一方面，通過優(yōu)化電路設計，降低電子噪聲。另一方面，通過改進封裝工藝，減少外部干擾。還有研究者提出采用主動噪聲控制技術，通過引入反饋機制，實時補償噪聲，從而有效降低微陀螺儀的噪聲水平。提高穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是微陀螺儀長期工作的關鍵。為了提高穩(wěn)定性，研究者們主要從材料選擇、結構設計和制造工藝等方面進行了改進。例如，選用熱穩(wěn)定性好的材料，減少溫度對微陀螺儀性能的影響。在結構設計上，通過優(yōu)化結構布局，提高微陀螺儀的抗沖擊能力和抗振動能力。采用先進的封裝技術和環(huán)境適應性測試，確保微陀螺儀在各種惡劣環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。微陀螺儀的性能優(yōu)化是一個綜合性的工作，需要從多個方面進行改進。隨著新材料、新工藝和新技術的不斷發(fā)展，相信未來微陀螺儀的性能將得到進一步提升，為各領域的應用提供更可靠的技術支持。五、微陀螺儀的應用領域隨著微陀螺儀技術的不斷成熟與進步，其應用領域也日益廣泛。微陀螺儀的高精度、小型化、低功耗等特性，使其在眾多領域中展現出巨大的應用潛力。航空航天領域：在航空航天領域，微陀螺儀是實現飛行器姿態(tài)控制和導航定位的關鍵元件。由于其體積小、重量輕、可靠性高，微陀螺儀已成為現代衛(wèi)星、導彈、無人機等航空航天器的重要組成部分。汽車工業(yè)：在汽車工業(yè)中，微陀螺儀被廣泛應用于車輛動態(tài)控制系統(tǒng)，如電子穩(wěn)定程序（ESP）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）等。微陀螺儀的高精度測量能力為車輛穩(wěn)定性控制和安全性提供了有力保障。消費電子：隨著智能手機、平板電腦等消費電子產品的普及，微陀螺儀在這些設備中的應用也越來越廣泛。微陀螺儀能夠實現設備的精確定位和手勢識別，提升了用戶的使用體驗。醫(yī)療健康：在醫(yī)療健康領域，微陀螺儀可用于制造微型醫(yī)療器械，如微型手術機器人、生理信號監(jiān)測設備等。其高精度的運動檢測和穩(wěn)定性控制為醫(yī)療診斷和治療提供了新的可能性。軍事領域：在軍事領域，微陀螺儀的小型化、高精度特性使其成為精確制導武器、無人偵察機、智能彈藥等軍事裝備的重要組件，為軍事行動的精確性和高效性提供了有力支持。微陀螺儀在航空航天、汽車工業(yè)、消費電子、醫(yī)療健康和軍事領域等多個領域都有廣泛的應用前景。隨著技術的不斷進步和成本的降低，微陀螺儀的應用領域還將進一步擴大。六、研究進展與最新動態(tài)隨著科技的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術已成為當代科技領域的重要研究熱點。作為MEMS技術的重要組成部分，微陀螺儀的研究與應用也在逐步深入。近年來，全球科研團隊在微陀螺儀的研究上取得了顯著的進展和最新的動態(tài)，這些成果不僅推動了微陀螺儀的性能提升，還為未來的微納傳感器技術發(fā)展提供了強大的支撐。在微陀螺儀的結構設計方面，研究者們不斷嘗試新的結構和材料，以提高其靈敏度和穩(wěn)定性。例如，利用新型的懸臂梁結構，可以有效提高微陀螺儀的振動頻率和響應速度，同時降低其噪聲水平。碳納米管、石墨烯等新型材料的引入，也為微陀螺儀的性能提升帶來了新的可能性。在微陀螺儀的制造工藝方面，隨著微納加工技術的不斷進步，微陀螺儀的制造精度和可靠性得到了顯著提升。尤其是近年來興起的納米壓印技術、深反應離子刻蝕等先進制造技術，為微陀螺儀的大規(guī)模生產和應用提供了有力保障。在微陀螺儀的信號處理與控制技術方面，隨著微處理器和集成電路技術的快速發(fā)展，微陀螺儀的信號處理速度和精度得到了極大提高。通過引入先進的控制算法和數據處理技術，可以有效提高微陀螺儀的測量精度和穩(wěn)定性，為其在航空航天、汽車導航等領域的應用提供了堅實的技術基礎。最新的動態(tài)顯示，微陀螺儀的研究與應用正在不斷拓展。一方面，隨著物聯網等技術的快速發(fā)展，微陀螺儀在智能家居、健康監(jiān)測等領域的應用前景日益廣闊。另一方面，隨著空間探索、深海探測等領域的不斷深入，對微陀螺儀的性能要求也越來越高。因此，未來的微陀螺儀研究將更加注重其小型化、低功耗、高可靠性等方面的提升。微陀螺儀的研究進展與最新動態(tài)展示了其在結構設計、制造工藝、信號處理與控制技術等方面的顯著成就。隨著科技的不斷進步和應用領域的不斷拓展，微陀螺儀將在未來的科技發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。七、結論隨著科技的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術作為現代科技的代表之一，其應用領域不斷擴大，特別是在微陀螺儀的研究與應用方面，已經取得了顯著的進展。本文對MEMS微陀螺儀的研究進展進行了全面的綜述，探討了其基本原理、主要類型、關鍵技術、性能提升、應用現狀以及未來發(fā)展趨勢。我們回顧了微陀螺儀的基本原理和類型，包括其工作原理、結構設計和主要分類。這些基礎知識為我們理解微陀螺儀的性能和應用提供了基礎。我們深入探討了微陀螺儀的關鍵技術，如結構設計、材料選擇、加工工藝等。這些技術的優(yōu)化和創(chuàng)新對于提高微陀螺儀的性能和穩(wěn)定性至關重要。接著，我們分析了微陀螺儀的性能提升方法，包括誤差補償、溫度補償、動態(tài)范圍擴大等。這些方法的應用可以有效地提高微陀螺儀的測量精度和可靠性。我們還介紹了微陀螺儀在各個領域的應用現狀，包括航空航天、汽車制造、消費電子等。這些應用展示了微陀螺儀在現實生活中的重要性和價值。我們展望了微陀螺儀的未來發(fā)展趨勢，包括新材料的應用、新型結構的設計、集成化和智能化的發(fā)展趨勢等。這些趨勢預示著微陀螺儀將在未來發(fā)揮更大的作用，推動相關領域的科技進步。MEMS微陀螺儀作為一種重要的微機電系統(tǒng)器件，其研究與應用已經取得了顯著的進展。未來，隨著科技的不斷進步和創(chuàng)新，微陀螺儀的性能和應用領域將進一步擴大和提升，為人類社會帶來更多的便利和發(fā)展機遇。參考資料：隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術的飛速發(fā)展，陀螺儀在慣性導航、姿態(tài)傳感等領域的應用越來越廣泛。然而，受到工藝、材料等因素的影響，MEMS陀螺儀在使用過程中會出現隨機誤差，如漂移、噪聲等，對其精度和穩(wěn)定性造成不利影響。為了解決這一問題，隨機誤差濾波技術被引入到MEMS陀螺儀中，取得了顯著的成效。在MEMS陀螺儀中，隨機誤差的產生主要有兩方面原因。一方面是工藝和材料的不完善，導致陀螺儀內部結構、敏感器件的特性存在差異；另一方面是外部環(huán)境的干擾，如溫度、濕度、壓力等，使得陀螺儀的輸出信號中混入噪聲。針對這些隨機誤差，常見的濾波方法主要有卡爾曼濾波、最小二乘濾波和自適應濾波等?？柭鼮V波是一種經典的線性最優(yōu)濾波方法，能夠實時處理帶有噪聲的輸入信號，并通過對信號的預測和更新，得到最優(yōu)估計結果。在MEMS陀螺儀中，卡爾曼濾波器可以用于估計陀螺儀的漂移和噪聲，提高其測量精度。最小二乘濾波是一種非線性濾波方法，通過最小化誤差的平方和來求解最優(yōu)估計值。在MEMS陀螺儀中，最小二乘濾波器可用于陀螺儀輸出信號的平滑處理，有效降低噪聲對測量結果的影響。自適應濾波是一種先進的濾波技術，能夠根據輸入信號的變化自動調整濾波器的參數，以適應不同的工作環(huán)境。在MEMS陀螺儀中，自適應濾波器可根據陀螺儀輸出的實時信號調整濾波器的參數，有效抑制各種隨機誤差，提高陀螺儀的測量精度和穩(wěn)定性。MEMS陀螺儀隨機誤差濾波技術是實現更高精度測量和穩(wěn)定性的關鍵。通過對卡爾曼濾波、最小二乘濾波和自適應濾波等濾波方法的應用，可以有效地減小隨機誤差對MEMS陀螺儀的影響，提高其性能指標。未來隨著MEMS技術的進一步發(fā)展，隨機誤差濾波技術將會更加成熟和高效，為MEMS陀螺儀的應用和發(fā)展提供更為廣闊的前景。微機械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(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、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統(tǒng)、驅動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)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采取行動。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)相結合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅動器和微系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)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。微機械陀螺儀（MEMSgyroscope）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硅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(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，并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（BOSCHSMG070原理圖）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于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)中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比于角速度的能量轉移到傳感模式。通過改進設計和靜電調試使得驅動和傳感的共振頻率一致，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傳感模式完全匹配或接近匹配，它對系統(tǒng)的振動參數變化極其敏感，而這些系統(tǒng)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)）一般的微機械陀螺儀由梳子結構的驅動部分（圖六）和電容板形狀的傳感部分組成（圖八）。有的設計還帶有去驅動和傳感耦合的結構。（圖九）MEMS陀螺儀的重要參數包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出（零位輸出）、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍。這些參數是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標志，同時也決定陀螺儀的應用環(huán)境。分辨率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噪聲決定。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。測量范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。單軸和雙軸MEMS角速度傳感器（陀螺傳感器）新產品群。該系列主要用于游戲機、輸入設備、導航儀、PND（PortableNavigationDevice）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?？蓹z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倍的兩個端口。降低了溫度誤差以及隨時間變化的誤差。零點溫度漂移為05度/秒/℃。噪聲方面，可檢測的角速度為最大30度/秒的品種控制在了014度/秒/√Hz。電源電壓范圍為+7～6V。封裝采用5mm×5mm×5mm的16端子LGA。工作溫度范圍為－40～+85℃。根據近幾年國內文獻，我國在慣性導航中應用研究中的陀螺儀按結構構成大致可以分為三類：機械陀螺儀，光學陀螺儀，微機械陀螺儀。機械陀螺儀指利用高速轉子的轉軸穩(wěn)定性來測量載體正確方位的角傳感器。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經以來，人們探索過很多種機械陀螺儀，液浮陀螺、動力調諧陀螺和靜電陀螺是技術成熟的三種剛體轉子陀螺儀，精度在10E-6度/小時～10E-4度/小時范圍內，達到了精密儀器領域內的高技術水平。在1965年，我國的清華大學首先開始研制靜電陀螺，應用背景是“高精度船用INS”。1967-1990，清華大學、常州航海儀器廠、上海交通大學等合作研制成功了靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小于5°/h，隨機漂移誤差小于001°/h，中國和美國、俄羅斯并列成為世界上掌握靜電陀螺技術的國家。隨著光電技術的發(fā)展，激光陀螺，光纖陀螺應運而生。與激光陀螺儀相比較，光纖陀螺儀成本較低，比較適合批量生產。我國光纖陀螺的研究起步較晚，但已經取得了很多可喜的成績。航天科工集團、航天科技集團、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。根據掌握的信息看，國內的光纖陀螺研制精度已經達到了慣導系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術甚至達到了國外同類產品的水平。從20世紀開始，由于電子技術和微機械加工技術的發(fā)展，使微機電陀螺成為現實。從20世紀90年代以來，微機電陀螺已經在民用產品上得到了廣泛的應用，部分應用在低精度的慣性導航產品中。我國微機電陀螺的研究開始于1989年，已經研制出數百微米大小的靜電電機和3mm的壓電電機。清華大學的導航與控制教研組的陀螺技術十分成熟，并已經掌握微機械與光波導陀螺技術，現已經做出了微型陀螺儀樣機，并取得了一些數據。東南大學精密儀器與機械系科學研究中心也不斷進行關鍵部件、微機械陀螺儀和新型慣性裝置與GPS組合導航系統(tǒng)的開發(fā)研究，滿足了軍民兩用市場的需要。隨著科學技術的發(fā)展，相比于靜電陀螺的高成本，成本較低的光纖陀螺和微機械陀螺的精度越來越高，是未來陀螺技術的發(fā)展總趨勢。微機械陀螺儀用于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(tǒng)。所謂主動控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍尚未發(fā)生時及時糾正這個異常狀態(tài)或者正確應對個異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。比如在轉彎時，系統(tǒng)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。這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。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(wěn)定性主控系統(tǒng)的安裝率節(jié)節(jié)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%。微機械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機械系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)(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、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統(tǒng)、驅動部件、電控系統(tǒng)集成為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)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采取行動。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)相結合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅動器和微系統(tǒng)。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)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。微機械陀螺儀（MEMSgyroscope）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硅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(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，并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（BOSCHSMG070原理圖）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于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)中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比于角速度的能量轉移到傳感模式。通過改進設計和靜電調試使得驅動和傳感的共振頻率一致，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傳感模式完全匹配或接近匹配，它對系統(tǒng)的振動參數變化極其敏感，而這些系統(tǒng)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)）一般的微機械陀螺儀由梳子結構的驅動部分（圖六）和電容板形狀的傳感部分組成（圖八）。有的設計還帶有去驅動和傳感耦合的結構。（圖九）MEMS陀螺儀的重要參數包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出（零位輸出）、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍。這些參數是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標志，同時也決定陀螺儀的應用環(huán)境。分辨率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噪聲決定。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。測量范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。單軸和雙軸MEMS角速度傳感器（陀螺傳感器）新產品群。該系列主要用于游戲機、輸入設備、導航儀、PND（PortableNavigationDevice）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?？蓹z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倍的兩個端口。降低了溫度誤差以及隨時間變化的誤差。零點溫度漂移為05度/秒/℃。噪聲方面，可檢測的角速度為最大30度/秒的品種控制在了014度/秒/√Hz。電源電壓范圍為+7～6V。封裝采用5mm×5mm×5mm的16端子LGA。工作溫度范圍為－40～+85℃。根據近幾年國內文獻，我國在慣性導航中應用研究中的陀螺儀按結構構成大致可以分為三類：機械陀螺儀，光學陀螺儀，微機械陀螺儀。機械陀螺儀指利用高速轉子的轉軸穩(wěn)定性來測量載體正確方位的角傳感器。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經以來，人們探索過很多種機械陀螺儀，液浮陀螺、動力調諧陀螺和靜電陀螺是技術成熟的三種剛體轉子陀螺儀，精度在10E-6度/小時～10E-4度/小時范圍內，達到了精密儀器領域內的高技術水平。在1965年，我國的清華大學首先開始研制靜電陀螺，應用背景是“高精度船用INS”。1967-1990，清華大學、常州航海儀器廠、上海交通大學等合作研制成功了靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小于5°/h，隨機漂移誤差小于001°/h，中國和美國、俄羅斯并列成為世界上掌握靜電陀螺技術的國家。隨著光電技術的發(fā)展，激光陀螺，光纖陀螺應運而生。與激光陀螺儀相比較，光纖陀螺儀成本較低，比較適合批量生產。我國光纖陀螺的研究起步較晚，但已經取得了很多可喜的成績。航天科工集團、航天科技集團、浙大、北方交大、北航等單位相繼開展了光纖陀螺的研究。根據掌握的信息看，國內的光纖陀螺研制精度已經達到了慣導系統(tǒng)的中低精度要求，有些技術甚至達到了國外同類產品的水平。從20世紀開始，由于電子技術和微機械加工技術的發(fā)展，使微機電陀螺成為現實。從20世紀90年代以來，微