微機械陀螺儀工作原理_微機械陀螺儀的應用

微機械陀螺儀工作原理

微機械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理 傳統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（BOSCH SMG 070原理圖）

微機械陀螺儀的應用

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。所謂主動控制系統就是一旦發現汽車的狀態異常，系統在車禍尚未發生時及時糾正這個異常狀態或者正確應對個異常狀態以阻止車禍的發生。比如在轉彎時，系統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定性主控系統的安裝率節節攀升，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%。

責任編輯：YYX