Qs2
(s0
d 0 )(s0
d0 )
2

2 2 d0 s0
d 0
cos(d 0t
tan 1
Qss 0
1


d 0 s0
2
90)
谐振状态下工作模态稳态解
krz crz
M wry
M e _ ny
敏感轴 M cz2 y
y
s M dz M kz M cy2z
I ry
M ky
M M e _ nz
wrz
z
驱动轴
I rz
M dy
d
kry
cry
动力学模型
I rz

0
0 I ry

ds


crz crzry
cryrz cry

ds


krz krzry
kryrz d
kry

结构设计相关内容 22
结构参数
优化设计
静态分析
结构应力
哥氏效应
瞬态分析
有限元软件
路径分析
敏感器 件位置
振动幅值 限位位移
谐COMSOL
模态分析
振型和频率
23
3.1 MEMS陀螺仪设计流程及工具
结构 设计
灵敏度
频率匹配 Q值设计
理论计算 初始化尺寸
灵敏度 噪声

2 2 d0 s0
x
z
I rz

0
0 I ry

ds


crz crzry
cryrz cry

ds


krz krzry
kryrz d
kry

s

d 0
cos(d 0t
tan 1
有无阻尼
有
无
有
有
灵敏度
高
中等
中等
高
电路复杂程度
高
中等
低
高
成本
高
高
低
中
交叉轴敏感度
主要取决于机械设计，而非转导作用
光学
\ 小 大 宽 低 无 很高 高 高
结构设计原则
工艺先行原则
结构最优原则
尺 寸 可 行 性
精 度 可 行 性
温 度 兼 容 性
腐 蚀 兼 容 性
工 艺 兼 容 性
工 艺 重 复 性
满 足 环 保 要 求
按材料
类
硅材料 非硅材料
非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
体微机械加工
按加工方式
表面微机械加工
LIGA(光刻、电铸和注塑)
17
微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱 动方式，检测方式和工作模式。
旋转振动结构
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
左图为清华大学2004 年提出的数字化测控 电路原理图
16
微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱 动方式，检测方式和工作模式。
旋转振动结构
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
振动平板结构 振动梁结构
按振动结构
线性振动结构
正交线振动结构
振动音叉结构 加速度计振动结构
微
机
械
陀
螺
分
s


M e _ nz

M
e
_
ny


M wrz

M
wry


0 2 I ry x
2 I rz 0

x

ds

动力学方程
26
y
内环
zx
锚点
梳齿
灵y 敏z x度：
Sz
Bz 振动轮
2 F0
mx


2 x
（a）振动轮式结构
（b）双质量块陀螺结构
北京大学研制的微机械陀螺仪
11
（a）振动轮式结构
（b）双解耦Z 轴体硅陀螺结构
东南大学研制的微机械陀螺仪
（a）振动轮式结构
（b）线振动解耦陀螺结构
清华大学研制的微机械陀螺仪 12
2、 MEMS陀螺仪基本知识
MEMS陀螺仪基本原理 MEMS陀螺仪分类及基本结构 MEMS陀螺仪设计流程及工具 MEMS陀螺仪工艺方法 MEMS陀螺仪制造技术难点
6
微机械陀螺体积小、功耗低、 成本低、抗过载能力强、动态范 围大、可集成化等优点，可嵌入 电子、信息与智能控制系统中， 使得系统体积和成本大幅下降， 而且总体性能大幅提升，因此在 现代军事领域具有广泛的应用前 景。
在陀螺仪的传统应用领域， 国防军事应用中，高精度微机械 陀螺将可用于导弹、航空航天、 超音速飞行器等高精度需求的军 用产品中
带宽（Hz）
应用范围
惯性级 <0.01 <0.001 <0.001 >400 ~100 飞机、船舶、航 天器等
战术级 0.01~10 0.001~0.5 0.001~0.1
>500 ~100 航向参考系统、制 导导弹等
速率级 10~1000
>0.5 0.1~1 30~1000 >70 移动终端、汽车、 照相机等
按检测方式
压电检测 电容检测 压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
全角模式
20
部分检测方式的MEMS陀螺性能对比
技术指标 电容式 压电式 压阻式 隧道效应式
阻抗
高
高
低
高
电负载影响 非常大
大
小
小
尺寸
大
小
中等
小
温度范围
非常宽
宽
中等
中等
线性度误差
高
中等
低
高
z2

敏感检测电极
工作原理示意图
krz
1

1


x
2

2

1 Qx2

x
2crz
M wry
M e _ ny
敏感轴 M cz2 y
y
s M dz M kz M cy2z
I ry
M ky
I rz
M dy
M M e _ nz
wrz
软件优化 优化尺寸 检验
结构 设计
灵敏度
频率匹配 Q值设计
理论计算 初始化尺寸
灵敏度 噪声
软件优化 优化尺寸 检验
25
y
内环
zx
锚点
梳齿
z
yx
振动轮
敏感检测电极
工作原理示意图
d
(d 0 )

Qd M e I rz
cos(d 0t)
s (d 0 )
2d 0QdQs M ex I rz
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究
1
MEMS陀螺仪研究背景 MEMS陀螺仪基本知识
2
1、 MEMS陀螺仪研究背景
MEMS陀螺仪基本概念 MEMS陀螺仪主要性能指标 MEMS陀螺仪应用领域 MEMS陀螺仪国外研究现状 MEMS陀螺仪国内研究现状
3
陀螺仪也称角速率传感器， 是用来测量物体转动角速度或 角位移的传感器。
Qss 0
1


d 0 s0
2
90)

M e _ nz

M
e
_
ny


M wrz

M
wry


0 2 I ry x
2 I rz 0

x

ds

动力学方程
谐振状态下工作模态稳态解
27
厚膜、深刻蚀、次数少
7
随着先进的微电子技术的发展，成本和价格也会大幅下降。其低廉的价 格将使其在民用消费领域也将具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中， 如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标、照相机甚至是机 器人玩具等中低端上应用需求的产品中得到应用。
8
微机械陀螺的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关已经比 较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学， 德国Daimler Benz公司、Bosch公司，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及 土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。其中Boeing 公司的8mm 直径DRG 的 最好性能为零偏重复性0.01º/h、角度随机游走0.002º/rt-hr。Sensornor公司也 发布了零偏稳定性0.05º/h 的产品。国外研究的目标是研制零偏稳定性优于 0.01º/h的惯性级微机电陀螺，逐步取代激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。
z
驱动轴
1
kry1


d

cry
z
2

2

1 Qz2



z
2

动力学模型
结论：当ω =ω =ω 时，陀螺的检测灵敏度最高。 s
(d 0
)
d
(d 0 Qs2
) Q2dIMrzd 0eQcdoQs(sMde0t)x Irz (s0 d 0 )(s0 d 0 ) 2