諧振陀螺的工作原理可以世界上第一個實際應(yīng)用的MEMS陀螺為例說明。

　　MEMS諧振陀螺儀是一種測量角速度的慣性傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、易集成等諸多優(yōu)點，因此在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

　　MEMS諧振陀螺的工作原理

　　振動陀螺儀是利用改變振動物體振動平面的方向來產(chǎn)生陀螺力矩，其主體是一個作高頻微幅振動的元件，利用高速振動的質(zhì)量在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來敏感角運動。

　　諧振陀螺的工作原理可以世界上第一個實際應(yīng)用的MEMS陀螺為例說明。

　　上圖所示是美國Draper實驗室研發(fā)的單晶硅雙質(zhì)量音叉陀螺，采用諧振陀螺工作原理，測量y方向角速率輸入Ω0。振動質(zhì)量M1和M2作為敏感單元，能夠在x和z兩個方向振動。x方向振動產(chǎn)生運動速度，與角速率輸入Ω0相互作用，產(chǎn)生z方向的Coriolis加速度。振動質(zhì)量塊在z方向受到Coriolis慣性力作用產(chǎn)生強迫振動。z方向的振動幅值大小就代表了Coriolis加速度的大小，再按照簡單的比例關(guān)系就可以計算角速率輸入的大小。

　　音叉陀螺工作原理簡圖

　　還有一類典型的環(huán)狀陀螺，類似半球諧振陀螺的工作原理，只是現(xiàn)階段在MEMS陀螺中用圓環(huán)結(jié)構(gòu)代替了。圓環(huán)振動后圓環(huán)變形為一個橢圓（圖2中虛線）。波腹點的振動速度最大，與z方向的角速率輸入在Coriolis效應(yīng)影響下產(chǎn)生徑向的Coriolis慣性力Fc，迫使圓環(huán)在45°方向產(chǎn)生橢圓形狀振動。檢測45°方向振動的振幅就可以計算出Coriolis效應(yīng)的強度，按照比例得到角速率輸入的大小。

　　振動圓環(huán)陀螺的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　MEMS諧振陀螺的技術(shù)現(xiàn)狀

　　MEMS諧振陀螺最大的特點就是功耗低、體積小、低成本和批量化。消費類電子產(chǎn)品將這個特點發(fā)揮到了極致，神秘的高大上慣性儀表因為MEMS技術(shù)而走下神壇，融入到我們的日常生活中，在手機(jī)里，在汽車上，甚至在我們帶的手表里，穿的衣服里無時無刻不在為我們服務(wù)。

　　以高精度、高可靠為最大需求的軍用市場同樣日趨青睞這樣的技術(shù)優(yōu)勢。越來越多的小型或微型宇航、航空、武器平臺因為儀表的小型化而使總體小型化、規(guī)?；蔀榭赡?。無人機(jī)就是最好的例子。當(dāng)陀螺慣組可以用￥100元以內(nèi)的價格買到時，作為無人機(jī)核心的飛行控制系統(tǒng)就可以用￥500元以內(nèi)的價格完成，￥2000元甚至更低價格的消費類無人機(jī)就遍地開花了。

　　從2010年以來，MEMS慣性儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計和前道加工工藝已經(jīng)日趨成熟，封裝技術(shù)是近五年來的研究熱點。通過封裝技術(shù)的層層推進(jìn)，消費類電子的集成度越來越高。如BOSCH采用堆疊封裝的方法實現(xiàn)1.5mm×1mm三軸加速度計儀表和2.6mm×2mm三軸一體陀螺。

　　近年，消費類電子產(chǎn)品大量應(yīng)用高集成度的MEMS慣性組合。高密度封裝技術(shù)滿足了消費類電子對體積、成本、功耗的苛刻要求。如ST公司、Bosch公司、InvenSense公司都實現(xiàn)單芯片內(nèi)3軸陀螺、3軸加速度計、3軸磁強計的封裝。

　　基于封裝的陀螺敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放方法對儀表精度提高的效果十分的明顯。所以2010年后Sensonor投入大量研究力量集中在研究儀表敏感結(jié)構(gòu)的無應(yīng)力封裝技術(shù)上。

　　再談?wù)勈⒁舨嫱勇荩m然迄今為止石英音叉陀螺是否屬于MEMS概念覆蓋的范疇仍舊在學(xué)術(shù)界有一定爭議，但不得不說石英的加工工藝要比硅MEMS歷史更悠久，技術(shù)更成熟穩(wěn)定。所以石英音叉陀螺更早面向市場，更廣泛地得到了應(yīng)用，更穩(wěn)定地表現(xiàn)使它在50年的歷史中長盛不衰。石英材料本身的穩(wěn)定性也比硅材料更具優(yōu)勢，天然的壓電效應(yīng)讓結(jié)構(gòu)本身即作為機(jī)械體也作為電學(xué)測量元件。