微機械陀螺儀發展歷史

A. 微機械陀螺儀的發展概述

根據近幾年國內文獻，目前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定性來測量載體正確方位的角感測器。自 1910 年首次用於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製靜電陀螺，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製成功了靜電陀螺工程樣機，其零偏漂移誤差小於0.5°/h，隨機漂移誤差小於0.001°/h，中國和美國、俄羅斯並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。根據目前掌握的信息看，國內的光纖陀螺研製精 度已經達到了慣導系統的中低精度要求，有些技術甚至達到了國外同類產品的水平。 從 20 世紀開始，由於電子技術和微機械加工技術的發展，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於 1989 年，現在已經研製出數百 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，並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， 並取得了一些數據。東南大學精密儀器與機械繫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 組合導航系統的開發研究，滿足了軍民兩用市場的需要。 總之，隨著科學技術的發展，相比於靜電陀螺的高成本，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展總趨勢。

B. MEMS的歷史

MEMS MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機電系統的縮寫。是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統。
MEMS主要包括微型機構、微型感測器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，並應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。
MEMS技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業，採用MEMS技術製作的微感測器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業，就象近20年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革並對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導產品為壓力感測器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬碟驅動頭等。大多數工業觀察家預測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。
MEMS是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域，相對於傳統的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。採用以硅為主的材料，電氣性能優良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。採用與集成電路（IC）類似的生成技術，可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝 ，進行大批量、低成本生產，使性價比相對於傳統「機械」製造技術大幅度提高。
完整的MEMS是由微感測器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊介面和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，集成於大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。
沿著系統及產品小型化、智能化、集成化的發展方向，可以預見：MEMS會給人類社會帶來另一次技術革命，它將對21世紀的科學技術、生產方式和人類生產質量產生深遠影響，是關繫到國家科技發展、國防安全和經濟繁榮的一項關鍵技術。
製造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產品。但矛盾之處在於，隨著技術的改進，價格往往也會出現飆升，所以這就導致一個問題：製造商不得不面對相互矛盾的要求——在讓產品功能超群的同時降低其成本。
解決這一難題的方法之一是採用微機電系統，更流行的說法是MEMS，它使得製造商能將一件產品的所有功能集成到單個晶元上。MEMS對消費電子產品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實現尺寸和重量的減小。事實上，大多數消費類電子產品所用MEMS元件的性能比已經出現的同類技術大有提高。
手持式設備製造商正在逐漸意識到MEMS的價值以及這種技術所帶來的好處——大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉向成功的MEMS公司，其所實現的成本削減幅度之大，將影響整個消費類電子世界，而不僅是高端裝置。 MEMS在整個20世紀90年代都由汽車工業主導；在過去幾年中，由於iPhone和Wii的出現，使全世界的工程師都看到運動感測器帶來的創新，使MEMS在消費電子產業出現爆炸式的增長，成為改變終端產品用戶體驗以及實現產品差異化的核心要素。
國內MEMS晶元（Die）供應商主要有：上海微系統所、沈陽儀表所、電子部13研究所、北京微電子所等，目前形成生產的主要是MEMS壓力感測器晶元（Die）。
MEMS技術的發展歷史
MEMS第一輪商業化浪潮始於20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻矽片結構和背蝕刻膜片製作壓力感測器。由於薄矽片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。後來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用於觸發汽車安全氣囊和定位陀螺儀。
第二輪商業化出現於20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨列印頭現在仍然大行其道。
第三輪商業化可以說出現於世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。
目前MEMS產業呈現的新趨勢是產品應用的擴展，其開始向工業、醫療、測試儀器等新領域擴張。推動第四輪商業化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在矽片上製作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的'片上實驗室'生化葯品開發系統和微型葯品輸送系統的靜態和移動器件。

C. 微機械陀螺儀的結構

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版用振動物體傳權感角速度的概念。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於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。整體動力學系統是二維彈性阻尼系統，在這個系統中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比於角速度的能量轉移到感測模式。
通過改進設計和靜電調試使得驅動和感測的共振頻率一致，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感測模式完全匹配或接近匹配，它對系統的振動參數變化極其敏感，而這些系統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)）
（圖五）
一般的微機械陀螺儀由梳子結構的驅動部分（圖六）和電容板形狀的感測部分組成（圖八）。有的設計還帶有去驅動和感測耦合的結構。（圖九）
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D. 什麼是MEMS陀螺

微機械陀螺儀。
微機械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械繫統回。微電子機械繫統(MEMS)技術是建答立在微米/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、製造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械繫統不僅能夠採集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令採取行動。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)相結合的製造工藝，製造出各種性能優異、價格低廉、微型化的感測器、執行器、驅動器和微系統。微電子機械繫統（MEMS）是近年來發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。2。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恆原理，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。

E. 微機械陀螺儀的介紹

微機械來MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子自機械繫統。微電子機械繫統(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、製造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械繫統不僅能夠採集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令採取行動。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)相結合的製造工藝，製造出各種性能優異、價格低廉、微型化的感測器、執行器、驅動器和微系統。微電子機械繫統（MEMS）是近年來發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。2。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恆原理，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。

F. 微機械陀螺儀的定義

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專片襯底上加工出一個可轉動的屬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盪，與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，並有可能使物體在橫向作微小震盪，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。徑向的電容板加震盪電壓迫使物體作徑向運動（有點象加速度計中的自測試模式），橫向的電容板測量由於橫向科里奧利運動帶來的電容變化（就象加速度計測量加速度）。因為科里奧利力正比於角速度，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。它採用了閉合迴路、數字輸出和感測器晶元跟ASIC晶元分開平放連線的封裝方法。來自（BOSCH SMG 070原理圖）

G. 陀螺儀的工作原理

我們不用一個完整的輪框，我們用四個質點ABCD來表示邊上的區域，這個邊對於用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋轉。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質點A向上運動，質點C則向下運動，如其中的子圖1。因為陀螺儀是順時針旋轉，在旋轉90度角之後，質點A將會到達質點B的位置。CD兩個質點的情況也是一樣的。子圖2中質點A當處於如圖的90度位置的時候會繼續向上運動，質點C也繼續向下。AC質點的組合將導致軸在子圖2所示的運動平面內運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉，軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動將會向左發生。在子圖3中，當陀螺儀旋轉了另一個90度的時候，質點C在質點A受力之前的位置。C質點的向下運動受到了傾斜力的阻礙並且軸不能在傾斜力平面上運動。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉大約180度時，另一側的邊緣推動軸向回運動。
萬向節陀螺儀
實際上，軸在這個情況下將會在傾斜力的平面上旋轉。軸之所以會旋轉是因為質點AC在向上和向下運動的一些能量用盡導致軸在運動平面內運動。當質點AC最後旋轉到大致上相反的位置上時，傾斜力比向上和向下的阻礙運動的力要大。陀螺儀運動的特性是它拐彎的時候能夠保持單軌設備的直上直下。比如說，有必要的話，消防汽缸壓在一個很重的陀螺儀的軸上，就能保持其穩定。陀螺儀和萬向節結合起來組成的萬向節陀螺儀則是實際中最經常應用的。
各模上的陀螺儀
從上面我們可以看到，陀螺儀的關鍵是軸的不變性。這樣的特性，看起來雖然簡單，但能使用在許多不同的應用上。制導武器就是陀螺儀的最關鍵應用之一。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿態的重要部件，在劇烈變化的環境中，沒有精心設計的陀螺儀用來保證穩定性和准確性，再好的控制規律也無法命中目標。除了制導之外，陀螺儀還能夠應用在其他的尖端的科技上。比如說，著名的哈勃天文望遠鏡的3個遙感裝置中每個都裝有一個陀螺儀和一個備份。3個工作的陀螺儀是保證望遠鏡指向所必不可少的。
陀螺儀正是因為它的平衡的特性，已經成為了飛行設備中關鍵的部件，從航模、制導武器、導彈、衛星、天文望遠鏡，無處沒有它的身影，陀螺儀默默的工作保證了這些飛行設備能按照指定的方式去工作。
向左轉|向右轉

H. 機械陀螺儀怎麼玩

微機械陀螺儀
陀螺儀又稱角速度計可以用來檢測旋轉的角速度和角度。正如我們所熟知，傳統的機械式陀螺、精密光纖陀螺和激光陀螺等已經在航空、航天或其它軍事領域得到了廣泛地應用。然而，這些陀螺儀由於成本太高和體積太大而不適合應用於消費電子中。微機械陀螺儀由於內部無需集成旋轉部件，而是通過一個由硅製成的振動的微機械部件來檢測角速度，因此微機械陀螺儀非常容易小型化和批量生產，具有成本低和體積小等特點。近年來，微機械陀螺儀在很多應用中受到密切地關注，例如，陀螺儀配合微機械加速度感測器用於慣性導航、在數碼相機中用於穩定圖像、用於電腦的無線慣性滑鼠等等。
微機械工藝的發展和成熟，使得微機械陀螺儀在消費電子中的廣泛應用成為可能，並且已有相應的產品面世，如羅技的空中滑鼠。這些都使業界相信微機械陀螺儀很快就會成為繼微機械加速計之後用於動作感測的另一重要元件。鑒於此，意法半導體公司基於其先進的Thelma工藝先後開發並量產了超小型單軸偏航陀螺儀LISY300AL和LY530AL。LY530AL具有兩種介面：模擬和數字介面，提高了設計的靈活性，簡化了設計難度，可測角速率達到±300度/秒。本文以LY530AL為例討論意法半導體微機械陀螺儀的工作原理及其應用。

I. 微機械陀螺儀的性能參數

MEMS陀螺儀的抄重要參數包括：解析度（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境。
解析度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雜訊決定。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。

J. 微機電系統的發展歷史

微機電系統是從微感測器發展而來的，已有幾次突破性的進展：
70年代微機械壓力專感測器產品問屬世
80年代末研製出硅靜電微馬達
90年代噴墨列印頭，硬碟讀寫頭、硅加速度計和數字微鏡器件等相繼規模化生產
充分展示了微系統技術及其微系統的巨大應用前景