第四節(jié)　微機(jī)械陀螺儀

陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。陀螺儀正朝著高精度、高可靠性、微型化、多軸測(cè)量和多功能測(cè)量的方向發(fā)展。

微機(jī)械陀螺儀屬于微電子機(jī)械范疇，它是利用科里奧利力現(xiàn)象研制而成的。科里奧利力現(xiàn)象是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述。

科里奧利力來(lái)自物體所具有的慣性，在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性的作用，有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會(huì)有所變化，而它原有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀(guān)察，就會(huì)發(fā)生一定程度的偏離。

一、微機(jī)械陀螺儀的分類(lèi)

微機(jī)械陀螺儀可以根據(jù)制作材料、振動(dòng)方式、有無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式及加工方式等進(jìn)行分類(lèi)。

①按制作材料可將微機(jī)械陀螺儀劃分為硅陀螺儀和非硅陀螺儀。非硅陀螺儀包括壓電陶瓷陀螺儀和壓電石英陀螺儀，壓電陶瓷陀螺儀不采用微加工工藝，但需要微光刻技術(shù)來(lái)保證陀螺的幾何尺寸，其尺寸大小與微加工陀螺的尺寸大小相當(dāng)；壓電石英陀螺儀精度高，但生產(chǎn)加工工藝復(fù)雜，成本高。所以，硅陀螺儀是發(fā)展方向，硅材料又分單晶硅材料和多晶硅材料。

②按振動(dòng)方式可將微機(jī)械陀螺儀劃分為角振動(dòng)陀螺儀和線(xiàn)振動(dòng)陀螺儀。角振動(dòng)陀螺儀是圍繞一個(gè)軸來(lái)回振動(dòng)，線(xiàn)振動(dòng)陀螺儀是沿一條線(xiàn)來(lái)回振動(dòng)。

③按有無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可將微機(jī)械陀螺儀劃分為有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩種方式。有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式又根據(jù)不同驅(qū)動(dòng)方式分為靜電驅(qū)動(dòng)陀螺儀、電磁驅(qū)動(dòng)陀螺儀和壓電驅(qū)動(dòng)陀螺儀。靜電驅(qū)動(dòng)陀螺儀是采用在驅(qū)動(dòng)電極上施加變化電壓產(chǎn)生變化的靜電力作為驅(qū)動(dòng)力；電磁驅(qū)動(dòng)陀螺儀是在電場(chǎng)中，給陀螺內(nèi)部的質(zhì)量塊施加垂直于電場(chǎng)方向的變化電流產(chǎn)生的力作為驅(qū)動(dòng)力；壓電驅(qū)動(dòng)陀螺儀是在陀螺的驅(qū)動(dòng)電極上施加變化的電壓，陀螺隨之發(fā)生形變。無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式主要是利用旋轉(zhuǎn)體自身旋轉(zhuǎn)作為動(dòng)力來(lái)源，省略驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，它是專(zhuān)用于旋轉(zhuǎn)體的陀螺。

④按檢測(cè)方式可將微機(jī)械陀螺儀劃分成壓電式陀螺儀、壓阻式陀螺儀、電容式陀螺儀和光學(xué)陀螺儀。

⑤按加工方式可以將微機(jī)械陀螺儀劃分為體加工微機(jī)械陀螺儀、表面加工陀螺儀及微電子工藝陀螺儀。體加工工藝和表面加工工藝與微電子工藝兼容，是可以與微電子電路實(shí)現(xiàn)單片集成制造的工藝，適合低成本的大批量微型零件和微系統(tǒng)器件的加工制造；但可用的材料種類(lèi)相對(duì)比較少，能加工的零件尺寸范圍窄，適合尺度在0.1～100μm范圍內(nèi)的零件加工，能制造的零件形狀相對(duì)簡(jiǎn)單。形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和部件則需要用微電子等其他加工工藝來(lái)制造。

二、微機(jī)械角速度傳感器

微機(jī)械角速度傳感器是目前市場(chǎng)上能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)的最復(fù)雜的傳感器之一。它由在真空中做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的慣性質(zhì)量塊和驅(qū)動(dòng)該設(shè)備、分析其響應(yīng)的多種復(fù)雜電路組成，并集中在一個(gè)極狹小的空間內(nèi)。

這里介紹的是由奧地利Sensor Dynamics公司研制的一種微機(jī)械角速度傳感器，它可以滿(mǎn)足現(xiàn)代應(yīng)用的全部要求，尤其是汽車(chē)工業(yè)所要求的小尺寸、堅(jiān)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、無(wú)限制的故障自動(dòng)防護(hù)性能和AEC-Q100認(rèn)證（集成電路的汽車(chē)級(jí)質(zhì)量認(rèn)證）。這種角速度傳感器特別適合于對(duì)汽車(chē)的危險(xiǎn)情況做出判定，如剎車(chē)或翻車(chē)，即使在GPS信號(hào)接收不到的區(qū)域內(nèi)，也可自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)駕駛功能。

微機(jī)械角速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，圖中Fc（t）代表由于旋轉(zhuǎn)角速度ω和平面運(yùn)動(dòng)速度v（t）所引起的科里奧利力。

微機(jī)械角速度傳感器由彈簧支撐的極板質(zhì)量塊組成，它能夠在基底上自由的移動(dòng)，傳感器工作所必需的梳狀驅(qū)動(dòng)電極附著于極板之上。在驅(qū)動(dòng)電極上施加可變電壓使極板進(jìn)入由于靜電力而引起的主共振，共振的幅值靠監(jiān)測(cè)電極來(lái)測(cè)量和修正。在外界旋轉(zhuǎn)的影響下，共振極板在科里奧利力作用下偏離平面，引發(fā)二次共振，其幅值和外界角速度有嚴(yán)格的比例關(guān)系。二次共振的幅值由位于極板下面的電極測(cè)量。

微機(jī)械角速度傳感器的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)非常小，運(yùn)動(dòng)極板的直徑只有十分之幾毫米，厚度只有百分之一毫米。所以必須有效排除外界機(jī)械效應(yīng)的影響才能保證測(cè)量的精度，如需要用密封封裝來(lái)排除灰塵的影響。圖2-10所示為傳感器封裝的一個(gè)橫截面，在傳感器內(nèi)部必須是絕對(duì)的真空，因?yàn)闅埓娴目諝鈺?huì)在一定程度上阻礙極板質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致不能產(chǎn)生合適的共振。

角速度傳感器使用一個(gè)專(zhuān)用集成電路（ASIC）來(lái)驅(qū)動(dòng)，它能夠檢測(cè)到由于極板運(yùn)動(dòng)而引起的電容的微小變化。ASIC 的制造過(guò)程要求漏電流非常小，噪聲特性非常好，同時(shí)還能提供高于50V的電壓能力和承受超過(guò)125℃的溫度。電路元件的這種耐高壓特性意味著敏感元件能夠接受更高電壓的驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)地可以產(chǎn)生高靜電力來(lái)驅(qū)動(dòng)敏感元件，由此可以設(shè)計(jì)成更堅(jiān)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這對(duì)于敏感元件的高沖擊強(qiáng)度是很重要的。

圖2-11所示為ASIC簡(jiǎn)化原理圖。可以看出，檢測(cè)電極的輸出信號(hào)是如何在輸入1階段被放大，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1完成數(shù)字化。該信號(hào)的頻率為質(zhì)量塊的機(jī)械共振頻率fr。數(shù)字PLL生成一個(gè)具有相同頻率的規(guī)范化幅值信號(hào)fn。信號(hào)fr通過(guò)幅值控制與fn進(jìn)行比較，因此它能夠保持等幅值。

監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)模擬和數(shù)字模塊，當(dāng)有參數(shù)超出定義范圍時(shí)，電路立即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。例如當(dāng)PLL超出范圍時(shí)，極板停止共振，這種情況可以很容易被監(jiān)測(cè)電路檢測(cè)到。

實(shí)際的測(cè)量信號(hào)通道是由基底電極、輸入2階段、ADC2和混合器M1組成。基底電極監(jiān)測(cè)第二極板的偏差，該偏差與角速度存在函數(shù)關(guān)系。測(cè)量信號(hào)用fr進(jìn)行調(diào)制，因此能夠通過(guò)混合fn信號(hào)解調(diào)。二次極板共振由一個(gè)測(cè)試信號(hào)監(jiān)測(cè)，該信號(hào)以接近fr值的頻率周期性偏轉(zhuǎn)極板。為了達(dá)到這個(gè)目的，又增加了與信號(hào)通道隔絕的基底電極。因此ADC2的輸出信號(hào)包含有測(cè)試信號(hào)和待測(cè)量信號(hào)。在M2混合后生成了一個(gè)直流信號(hào)，對(duì)該信號(hào)可以很容易地進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。濾波器在輸出端從測(cè)量信號(hào)中濾掉了測(cè)試信號(hào)。在ASIC中有超過(guò)20個(gè)參數(shù)一直處于監(jiān)測(cè)中，以保證從始至終的故障自動(dòng)防護(hù)性。

故障自動(dòng)防護(hù)性不只局限于傳感器和ASIC等芯片級(jí)，也同樣支持模塊級(jí)別。圖2-12所示是在模塊級(jí)別和微控制器說(shuō)明了故障自動(dòng)防護(hù)的概念。

當(dāng)?shù)谝淮螠y(cè)量時(shí)，微控制器通過(guò)SPI接口以及硬連接線(xiàn)位（HW-BIT）與ASIC進(jìn)行通信，這種方法通過(guò)增加冗余性提高了產(chǎn)品的安全級(jí)別。當(dāng)?shù)诙螠y(cè)量時(shí)，就可以執(zhí)行SPI的握手協(xié)議。因而，如果微控制器本身出現(xiàn)錯(cuò)誤，ASIC能夠通過(guò)SPI檢測(cè)到這一情況并在必要時(shí)關(guān)閉微控制器故障線(xiàn)路上的CAN收發(fā)器。這樣可以防止有故障的模塊干擾CAN總線(xiàn)。

SD721角速度傳感器的主要參數(shù)見(jiàn)表2-1。

微機(jī)械陀螺儀的發(fā)展方向是將多維角速度和加速度傳感器集成于一個(gè)封裝中，并進(jìn)一步提高產(chǎn)品的抗沖擊能力，其目標(biāo)是能夠在三維空間里檢測(cè)任意方向的角速度和加速度的通用傳感器。