QMEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)及工作原理淺析

 早 期的陀螺儀是一種機(jī)械裝置，主要部分是一個(gè)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸以極高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi);在通過(guò)轉(zhuǎn)子中心軸XX1上加一內(nèi)環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞 平面兩軸作自由運(yùn)動(dòng);然后，在內(nèi)環(huán)架外加上一外環(huán)架;這個(gè)陀螺儀有兩個(gè)平衡環(huán)，可以環(huán)繞平面三軸作自由運(yùn)動(dòng)，就是一個(gè)完整的陀螺儀。

圖1：陀螺儀結(jié)構(gòu)圖

在 現(xiàn)在常見(jiàn)的智能手機(jī)、游戲手柄等設(shè)備里面的是微機(jī)械陀螺儀(MEMS陀螺儀)，MEMS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。通 過(guò)給徑向上的電容板加震蕩啟動(dòng)電壓使物體做徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的科里奧利力運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化，因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以測(cè)量電容的變化可以計(jì)算出角 速度。

圖2：科里奧利力

EPOSN陀螺儀采用了QMEMS陀螺儀，即石英晶體(QUARTZ)+微機(jī)械(MEMS)陀螺儀。所謂QMEMS是指那些對(duì)石英原料使用精密加工(光刻)技術(shù)，集結(jié)了機(jī)械、電子、光學(xué)、化學(xué)等相關(guān)的各種功能，具備高精度、高穩(wěn)定性等附加價(jià)值的晶體元器件。

以EPSON XV4001的兩軸為例，如圖所示：

圖3：EPSON XV4001

通 過(guò)切割時(shí)石英晶體為H，兩側(cè)為振動(dòng)臂，中心為零位輸出，該構(gòu)造可使陀螺儀兩側(cè)振動(dòng)臂相對(duì)照進(jìn)行振動(dòng)，再由檢測(cè)臂準(zhǔn)確檢測(cè)承載的物體是否存在振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) 角速度傳感器相對(duì)穩(wěn)定沒(méi)有旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩側(cè)振動(dòng)臂相對(duì)于中心的數(shù)據(jù)作為參考值，當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于晶體的壓電效應(yīng)兩側(cè)振動(dòng)臂對(duì)于中心，會(huì)出現(xiàn)不同的偏轉(zhuǎn)數(shù)值， 根據(jù)此偏轉(zhuǎn)，由處理器計(jì)算出角度的數(shù)值通過(guò)通信接口輸出，用戶(hù)直接會(huì)得到通信接口送出來(lái)的角度數(shù)值。

EPOSN之所 以選擇石英晶體(QUARTZ)+類(lèi)似半導(dǎo)體MEMS的生產(chǎn)制程，首先是因?yàn)閭鹘y(tǒng)MEMS陀螺儀蕩器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括了AD轉(zhuǎn)換器、溫度補(bǔ)償電路、偏流 電路等等，它最大的薄弱環(huán)節(jié)就在于其溫度特性變化非常劇烈，陀螺儀檢測(cè)范圍限制在+/-2g左右;而QMEMS陀螺儀則采用石英晶體為元件，石英晶體硬度 及理化性質(zhì)穩(wěn)定，頻率基本不隨溫度變化，由此產(chǎn)生的內(nèi)部振蕩損失也最小，QMEMS陀螺儀則可以將范圍擴(kuò)展至數(shù)百g左右。因此，QMEMS陀螺儀對(duì)于追求 高精度、高穩(wěn)定性的電子設(shè)備是非常適合的。