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| MEMS陀螺儀的工作原理、結構及性能參數 |
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| 文章來源： 更新時間：2011/4/28 14:21:00 |
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微機械陀螺儀的工作原理（科里奧利力）
MEMS陀螺儀利用科里奧利力（Coriolis force，又稱為科氏力）現象。科氏力是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。
科里奧利力來自于物體運動所具有的慣性，在旋轉體系中進行直線運動的質點，由于慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續(xù)運動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之后，體系中質點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀察，就會發(fā)生一定程度的偏離。 |
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如圖1所示，當一個質點相對于慣性系做直線運動時相對于旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。
以下為科里奧利力的物理導出方法。
圖2所示為建立的空間動態(tài)坐標系。 |
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由以上方程計算得到加速度主要有三項組成，分別為徑向加速度、科里奧利加速度和向心加速度。 |
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其中， 為圓盤轉動的角速度矢量； 為質點的徑向速度值； 為質點的徑向運動方向矢量。
如果物體在圓盤上沒有徑向運動或是圓盤沒有旋轉，科里奧利力就不會產生。 |
微機械陀螺儀的結構
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MEMS陀螺儀的設計和工作原理可能各種各樣，但是主要都采用振動部件傳感角速度的概念。絕大多數的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力。圖3所示為振動陀螺的動力學系統(tǒng)的簡單結構示意圖。
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該系統(tǒng)為2-D的振動系統(tǒng)，有兩個正交的振動模態(tài)。其中一個振動模態(tài)為質量塊在x方向振動，振動頻率為 。另一個振動模態(tài)為質量塊在y方向振動，振動頻率為 。 與 的值比較接近。
工作時，驅動質量塊使之在x軸上以接近于 的頻率 （驅動頻率）振動，如果振動系統(tǒng)以角速度 繞Z軸轉動，則會產生一個沿Y軸方向的科里奧利力，從而使得質量塊在Y軸方向上產生頻率為的 振動響應，通過測試Y軸方向的運動就能完成角速度 的檢測。 |
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| 一般的MEMS陀螺儀由梳齒結構的驅動部分（圖4）和電容板形狀的傳感部分（圖5）組成，基本結構如圖6所示。對于各種應用要求有各種不同的具體結構設計。 |
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微機械陀螺儀的性能參數
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。
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