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1、MEMS陀螺仪传感器,07测控一班 第二小组 （1120） 许盼兮,MEMS简介,MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。 在微型传感器领域较为成熟的MEMS传感器有三种加速度计、压力传感器、陀螺仪,市场观察发展报告说，MEMS市场在2007年增长百分之九，达到60亿美元，其中前30名制造商的收入总和有56亿美元，平均增长7个百分点。预计今年MEMS市
2、场将增长11 .1%，达到66.54亿美元 。,目前在汽车MEMS市场，压力计和加速度计还是占较大份额，但是随着对汽车安全性能要求越来越高，尤其是在北美和欧洲稳定性主控系统的安装率节节攀升，陀螺仪的市场增长率明显比前两类要快，在2011年预期达到10%。,陀螺仪的功能,陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞
3、行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中，则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。,陀螺仪的原理,陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪的定向性使它能测量360度范围内的角度变化，通过信号处理我们可以获物体的姿态信息，这一点在飞行器姿态控制中很早就有应用！（视频1）,与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机
4、械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。 为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。什么是科里奥利力呢？科里奥利力(Coriolis force)也就时常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性，由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。在北半球，从南向北流的河流，河水冲刷东岸；从北向南流的河流，河水冲刷西岸,MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺
5、仪利用科里奥利力(旋转物体在径向运动时所受到的切向力)，旋转中的陀螺仪可对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。为了产生这种力，MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动电容板，“径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。”这样，MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动，并可在横向作与驱动力差90的微小震荡。这种科里奥利力好比角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。,一般的MEMS陀螺仪由梳子结构的驱
6、动部分,Mass 质量块 Drive Direction 驱动方向 Sense Direction 感应方向,电容板形状的传感部分组成,以意法半导体的MEMS陀螺仪为例，其核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转(音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动，当音叉开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号)。电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振，利用科里奥利力把角速率转换成一个特定感应结构的位移，两个正在运动的质点向相反方向做连续运动。只
7、要从外部施加一个角速率，就会出现一个力，力的方向垂直于质点的运动方向。,三轴陀螺仪MEMS细致结构 200um尺度显微照,公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。,现在广泛使用的MEMS陀螺（微机械）可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势： 1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等。 2、低成本。 3、高可靠性。内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长。
8、4、低功耗。 5、大量程。适于高转速大g值的场合。 6、易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。,案例分析： MEMS陀螺仪在消费电子产品的广阔应用,MEMS陀螺仪位列2010年十大热门应用技术预测之中 三轴微机电系统(MEMS)陀螺仪(gyroscopes)将很快催生更聪明的智能手机，以及更好用的游戏机游戏杆或遥控器。现有的MEMS陀螺仪多是用来稳定数字相机、高阶手机所拍摄的影像，在2010年，这些组件还将进驻GPS、以及像是无线空中鼠标(in-airmice)等 3D外围装置。 MEMS陀螺仪可望为手势识别(gesturerecognition)以及远程选单控制等接口带来革新
9、，并取代传统键盘与鼠标 . MEMS陀螺仪提供的高精度动作信息使其迅速成为消费电子领域的新宠！,在竞争剧烈的游戏和三维遥控市场，对更直观的基于动感的用户界面之需求不断增加。现在的运动传感器技术，因为在任天堂Wii和苹果iPhone上的成功而普及，主要基于三轴加速度计，它提供了基本的倾斜、横竖方向以及直线运动等的跟踪。,六轴运动处理方案通过陀螺仪增加了三轴转动信息，结合原有的通过加速度计获得的三轴直线运动数据，提供了高精度的三维运动跟踪，传感所有运动，包含对姿态的认定。例如，Wii的MotionPlus附件能很准确地跟踪玩游戏的人的动作，甚至手腕轻轻拧一下或者身体稍稍转一下都可以被准确地复制在电
10、视机屏幕。用一个手轻轻地对数字电视机的遥控器做动作比如甩、抖、转、刺等就可以很快地选择或者滚动菜单，找到电视节目、电影、音乐和购物等，无需去摁许多不同的按钮。,其实MEMS陀螺仪离我们非常之近,它就是,2010年6月24日 世界上首款 使用MEMS陀螺仪的手机 正式上市,MEMS技术的大量运用是她的一大亮点 ，那么就让我们看看iPHONE4又带来什么惊喜！,视频2,iphone 4的MEMS陀螺仪传感器一经推出立即引起一场,iphone4拥护者称陀螺仪的引进将使得运动感更加真实准确,口水大战,反对者则坚称传统的加速度传感器已经足够，陀螺仪不过是吸引眼球的工具罢了。,要分辨究竟孰是孰非我们还得从
11、加速度传感器与陀螺仪传感器的差异说起。,在讲述二者的区别与联系之前让我们先看一段摘自苹果发布会的视频 我们敬爱的乔布斯大叔将向我们展示陀螺仪的实际应用,三轴陀螺仪（角速度）,新的动作函数库,陀螺仪+加速度感应 六轴感应,重力旋转,俯仰 偏航 横滚 即绕三个轴的自转,完美游戏体验,视频3,你熟悉又陌生的 G sensor,手机上的加速度传感器又称G sensor 顾名思义它的原理就是在X Y Z三个方向分别有三个加速度传感器 通过测量由重力引起的三个加速度值的不同即可建立参考系确定设备与重力倾角通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式雖然加速度計可為簡單的方位和傾斜應用提供基本的運動感應，
12、但在穩定光學影像(OIS)等更複雜的應用中，卻存在一些影響加速度計作業和性能的限制。加速度計只能提供線性和向心加速度、重力和振動的總和。只有增加一款陀螺儀後，才能擷取到加速度線性運動資訊的某個元素。在運動處理方案中，陀螺儀必須精確地測量角速度旋轉運動。,G sensor的局限,加速度传感器同时测角度与位移看似一举两得，但实际应用上往往相互影响，运动中倾斜角度测量将产生较大误差。而且它必需工作在重力的反方向上。，此外 它无法测量自传角度，测量角度也带来了大量的计算任务。 InvenSense的营销总监Doug Vargha亦为此表示：“若只使用传统的加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大
13、的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。”,陀螺儀與加速度計缺一不可,為了滿足終端用戶的功能期待，必須使用三軸旋轉運動和三軸直線運動的資訊。一般常見的誤解是：要使手持系統具有運動處理功能，工程師必須選擇加入一款陀螺儀或一款加速度計即可。確實，業界分析師曾提出這樣的問題，“哪一種產品將在運動感測器競賽中獲勝？” 事實上，要準確地描述線性和旋轉運動，設計者必須同時採用陀螺儀和加速度計。單純使用陀螺儀的方案適用於需要高解析度和快速反應的旋轉檢測；單純使用加速度計的方案適用於具有固定的重力參考座標系、存在線性或傾斜運動，但旋轉運動被限制在一定範
14、圍內的應用。但同時處理直線運動和旋轉運動時，就必須陀螺儀和加速度計併用。 在追蹤傾斜和旋轉運動時，加速度計在設備不運動時可提供更準確的加速度測量，而MEMS陀螺儀在設備運動時可提供的精密度更高。,应用于影像防震功能之陀螺仪,新世代更薄、更高效能的数字相机，易受手抖影响而造成相片的模糊。光学防手抖功能(Optical image stabilization，OIS)在今日的数字相机市场中被视为是关键功能之一。手非自发性的抖动会造成绕相机本体之两平面1到20Hz的旋转频率与1.5的旋转大小范围。补偿此手抖之关键技术在于利用陀螺仪来量测细微抖动的能力。 典型之光学防手抖功能，移动如镜片、棱镜、影像传感器(image sensor)等之光学组件，感应及抵销侦测之抖动来补偿手抖问题。手的动作可用双轴陀螺仪及封闭式控制系统(closed-loop control system)感测，是由包含在内之激动器(actuator)及位置传感器(position sensors)在相机里移动光学组件来完成的。陀螺仪是唯一可提供应用所须之低噪声、高敏感度、以及足够带宽的传感器。,