第四节　微机械陀螺仪

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。陀螺仪正朝着高精度、高可靠性、微型化、多轴测量和多功能测量的方向发展。

微机械陀螺仪属于微电子机械范畴，它是利用科里奥利力现象研制而成的。科里奥利力现象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。

科里奥利力来自物体所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。

一、微机械陀螺仪的分类

微机械陀螺仪可以根据制作材料、振动方式、有无驱动结构、检测方式及加工方式等进行分类。

①按制作材料可将微机械陀螺仪划分为硅陀螺仪和非硅陀螺仪。非硅陀螺仪包括压电陶瓷陀螺仪和压电石英陀螺仪，压电陶瓷陀螺仪不采用微加工工艺，但需要微光刻技术来保证陀螺的几何尺寸，其尺寸大小与微加工陀螺的尺寸大小相当；压电石英陀螺仪精度高，但生产加工工艺复杂，成本高。所以，硅陀螺仪是发展方向，硅材料又分单晶硅材料和多晶硅材料。

②按振动方式可将微机械陀螺仪划分为角振动陀螺仪和线振动陀螺仪。角振动陀螺仪是围绕一个轴来回振动，线振动陀螺仪是沿一条线来回振动。

③按有无驱动结构可将微机械陀螺仪划分为有驱动结构和无驱动结构两种方式。有驱动结构方式又根据不同驱动方式分为静电驱动陀螺仪、电磁驱动陀螺仪和压电驱动陀螺仪。静电驱动陀螺仪是采用在驱动电极上施加变化电压产生变化的静电力作为驱动力；电磁驱动陀螺仪是在电场中，给陀螺内部的质量块施加垂直于电场方向的变化电流产生的力作为驱动力；压电驱动陀螺仪是在陀螺的驱动电极上施加变化的电压，陀螺随之发生形变。无驱动结构方式主要是利用旋转体自身旋转作为动力来源，省略驱动装置，结构简单，成本低，可靠性高，它是专用于旋转体的陀螺。

④按检测方式可将微机械陀螺仪划分成压电式陀螺仪、压阻式陀螺仪、电容式陀螺仪和光学陀螺仪。

⑤按加工方式可以将微机械陀螺仪划分为体加工微机械陀螺仪、表面加工陀螺仪及微电子工艺陀螺仪。体加工工艺和表面加工工艺与微电子工艺兼容，是可以与微电子电路实现单片集成制造的工艺，适合低成本的大批量微型零件和微系统器件的加工制造；但可用的材料种类相对比较少，能加工的零件尺寸范围窄，适合尺度在0.1～100μm范围内的零件加工，能制造的零件形状相对简单。形状复杂的结构和部件则需要用微电子等其他加工工艺来制造。

二、微机械角速度传感器

微机械角速度传感器是目前市场上能够进行批量生产的最复杂的传感器之一。它由在真空中做复杂运动的惯性质量块和驱动该设备、分析其响应的多种复杂电路组成，并集中在一个极狭小的空间内。

这里介绍的是由奥地利Sensor Dynamics公司研制的一种微机械角速度传感器，它可以满足现代应用的全部要求，尤其是汽车工业所要求的小尺寸、坚固的机械结构、长期稳定性、无限制的故障自动防护性能和AEC-Q100认证（集成电路的汽车级质量认证）。这种角速度传感器特别适合于对汽车的危险情况做出判定，如刹车或翻车，即使在GPS信号接收不到的区域内，也可自动启动自动驾驶功能。

微机械角速度传感器的基本结构如图2-9所示，图中Fc（t）代表由于旋转角速度ω和平面运动速度v（t）所引起的科里奥利力。

微机械角速度传感器由弹簧支撑的极板质量块组成，它能够在基底上自由的移动，传感器工作所必需的梳状驱动电极附着于极板之上。在驱动电极上施加可变电压使极板进入由于静电力而引起的主共振，共振的幅值靠监测电极来测量和修正。在外界旋转的影响下，共振极板在科里奥利力作用下偏离平面，引发二次共振，其幅值和外界角速度有严格的比例关系。二次共振的幅值由位于极板下面的电极测量。

微机械角速度传感器的运动结构非常小，运动极板的直径只有十分之几毫米，厚度只有百分之一毫米。所以必须有效排除外界机械效应的影响才能保证测量的精度，如需要用密封封装来排除灰尘的影响。图2-10所示为传感器封装的一个横截面，在传感器内部必须是绝对的真空，因为残存的空气会在一定程度上阻碍极板质量块的运动，这将导致不能产生合适的共振。

角速度传感器使用一个专用集成电路（ASIC）来驱动，它能够检测到由于极板运动而引起的电容的微小变化。ASIC 的制造过程要求漏电流非常小，噪声特性非常好，同时还能提供高于50V的电压能力和承受超过125℃的温度。电路元件的这种耐高压特性意味着敏感元件能够接受更高电压的驱动，相应地可以产生高静电力来驱动敏感元件，由此可以设计成更坚固的机械结构，这对于敏感元件的高冲击强度是很重要的。

图2-11所示为ASIC简化原理图。可以看出，检测电极的输出信号是如何在输入1阶段被放大，然后由模数转换器ADC1完成数字化。该信号的频率为质量块的机械共振频率fr。数字PLL生成一个具有相同频率的规范化幅值信号fn。信号fr通过幅值控制与fn进行比较，因此它能够保持等幅值。

监测电路监测模拟和数字模块，当有参数超出定义范围时，电路立即产生报警信号。例如当PLL超出范围时，极板停止共振，这种情况可以很容易被监测电路检测到。

实际的测量信号通道是由基底电极、输入2阶段、ADC2和混合器M1组成。基底电极监测第二极板的偏差，该偏差与角速度存在函数关系。测量信号用fr进行调制，因此能够通过混合fn信号解调。二次极板共振由一个测试信号监测，该信号以接近fr值的频率周期性偏转极板。为了达到这个目的，又增加了与信号通道隔绝的基底电极。因此ADC2的输出信号包含有测试信号和待测量信号。在M2混合后生成了一个直流信号，对该信号可以很容易地进行连续监测。滤波器在输出端从测量信号中滤掉了测试信号。在ASIC中有超过20个参数一直处于监测中，以保证从始至终的故障自动防护性。

故障自动防护性不只局限于传感器和ASIC等芯片级，也同样支持模块级别。图2-12所示是在模块级别和微控制器说明了故障自动防护的概念。

当第一次测量时，微控制器通过SPI接口以及硬连接线位（HW-BIT）与ASIC进行通信，这种方法通过增加冗余性提高了产品的安全级别。当第二次测量时，就可以执行SPI的握手协议。因而，如果微控制器本身出现错误，ASIC能够通过SPI检测到这一情况并在必要时关闭微控制器故障线路上的CAN收发器。这样可以防止有故障的模块干扰CAN总线。

SD721角速度传感器的主要参数见表2-1。

微机械陀螺仪的发展方向是将多维角速度和加速度传感器集成于一个封装中，并进一步提高产品的抗冲击能力，其目标是能够在三维空间里检测任意方向的角速度和加速度的通用传感器。