微機械陀螺儀工作原理

微機械陀螺儀（MEMS gyroscope）的工作原理 傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉(zhuǎn)動的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個可轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)可不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運動時所受到的切向力。下面是導(dǎo)出科里奧利力的方法。有力學(xué)知識的讀者應(yīng)該不難理解。

在空間設(shè)立動態(tài)坐標(biāo)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(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計上，這個物體被驅(qū)動，不停地來回做徑向運動或者震蕩，與此對應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，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。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動（有點像加速度計中的自測試模式），橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化（就像加速度計測量加速度）。因為科里奧利力正比于角速度，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。來自（BOSCH SMG 070原理圖）

微機械陀螺儀的應(yīng)用

微機械陀螺儀用于測量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。所謂主動控制系統(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)生時及時糾正這個異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對個異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。比如在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度就知道方向盤打得過多還是不夠，主動在內(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，壓力計和加速度計還是占較大份額，（圖十四）但是隨著對汽車安全性能要求越來越高，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，陀螺儀的市場增長率明顯比前兩類要快，在2011年預(yù)期達(dá)到10%。

責(zé)任編輯：YYX