微機(jī)械陀螺儀工作原理

微機(jī)械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理 傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動(dòng)量守恒原理，因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機(jī)械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因?yàn)橐梦C(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機(jī)械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。下面是導(dǎo)出科里奧利力的方法。有力學(xué)知識(shí)的讀者應(yīng)該不難理解。

在空間設(shè)立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系（圖一）。用以下方程計(jì)算加速度可以得到三項(xiàng)，分別來(lái)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(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。（圖二）MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)（有點(diǎn)像加速度計(jì)中的自測(cè)試模式），橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化（就像加速度計(jì)測(cè)量加速度）。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。

圖三是2軸MEMS陀螺儀。它采用了閉合回路、數(shù)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(lái)自（BOSCH SMG 070原理圖）

微機(jī)械陀螺儀的應(yīng)用

微機(jī)械陀螺儀用于測(cè)量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂主動(dòng)控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現(xiàn)汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍尚未發(fā)生時(shí)及時(shí)糾正這個(gè)異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對(duì)個(gè)異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。比如在轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)陀螺儀測(cè)量角速度就知道方向盤打得過(guò)多還是不夠，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當(dāng)?shù)膭x車以防止汽車脫離車道。這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。

在汽車MEMS市場(chǎng)，壓力計(jì)和加速度計(jì)還是占較大份額，（圖十四）但是隨著對(duì)汽車安全性能要求越來(lái)越高，尤其是在北美和歐洲穩(wěn)定性主控系統(tǒng)的安裝率節(jié)節(jié)攀升，陀螺儀的市場(chǎng)增長(zhǎng)率明顯比前兩類要快，在2011年預(yù)期達(dá)到10%。

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