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加州大学发布高精度陀螺仪

时间:2013-01-30 09:19来源:未知 作者:MEMS 点击:
虽然都叫陀螺仪,但实际却包含从角度随机游走为0.01deg/h左右的低端品到角度随机游走为0.0001~0.001deg/h左右的高端品。低端品常用于导航和防抖,MEMS振动陀螺仪就属于低端品。而最高端的是静电悬浮陀螺仪(ESG),是罗克韦尔等公司在1970年代为核潜艇导航

        虽然都叫陀螺仪,但实际却包含从角度随机游走为0.01deg/√h左右的低端品到角度随机游走为0.0001~0.001deg/√h左右的高端品。低端品常用于导航和防抖,MEMS振动陀螺仪就属于低端品。而最高端的是静电悬浮陀螺仪(ESG),是罗克韦尔等公司在1970年代为核潜艇导航仪用途而开发的。核潜艇必须连续几个月在水下潜行,因此需要超高精度的陀螺仪。ESG利用静电力使直径1cm的铍(Be)球体悬浮在空中,并以15万rpm的转速旋转。铍球体非常接近正圆球,但高速旋转时,正圆球在离心力作用下会变成椭圆球,因此为使其在旋转时为正圆球,要将其加工成略呈椭圆球状。另外,如果做成真正的正圆球,就不能旋转了,因此铍球体内部埋有钽(Ta)线,使其重心偏移0.38μm。

        虽然普通的MEMS陀螺仪常用于低端用途,但现在业内正在开展提高其性能的开发,以取代部分光纤陀螺仪等。成功案例有东京计器的静电悬浮环式环形转子陀螺仪,能够实现角度随机游走为0.1deg/√h级别的性能。该产品利用静电力使直径1.5mm的硅环悬浮,并以几万rpm以上的转速旋转,从而同时测量三个方向的加速度和两个方向的角速度。现在,该产品已被用于旨在改善列车舒适性的列车摇动测量装置上。

        在IEEE MEMS 2013上,有几篇关于高性能陀螺仪的论文。美国加州大学伯克利分校Boser教授的研究组发表了论文《Quadrature FM Gyroscope》(论文序号:087-We)。悬浮在空中的物体以角速度ω0旋转时,在旋转方向与该物体相同、以角速度Ω旋转的观测者看来,该物体的角速度为(ω0-Ω)。如果ω0已知,观测者只要测量(ω0-Ω),便可得知Ω(图1)。不过,由于ω0很难准确掌握,因此,实际的方法是,再准备角速度为-ω0、即与前一个物体旋转方向相反但角速度大小相同的另外一个物体,观测者测出(-ω0-Ω),再与之前测得的(ω0-Ω)求和,便可得出Ω。要想使右旋物体与左旋物体的角速度大小同为ω0,可采用与音叉型振动陀螺仪的模式匹配相同的方法。

        为了用MEMS实现上述原理的陀螺仪,Boser等人采用了直径1mm的硅环作为旋转物体(图2)。在硅环周围配置了容量电极,在静电驱动下,波会在环上环绕。这种MEMS构造和CMOS读取电路是采用与美国InvenSense的陀螺仪相同的工艺(取该公司创始人的姓、命名为“Nasiri Fabrication Process”),通过晶圆接合而集成在一起的。

        根据前面所讲原理可以看出,Boser教授的研究小组开发的该陀螺仪的带宽不受限制,因此不用牺牲带宽来提高精度。另外,在频率输出上,频率与输入角速度始终保持固定的线性关系。另外,该陀螺仪不需要像振动陀螺仪那样检测微小的位移,因此还可以降低耗电量。另外,把细环作为旋转物体,重量轻,因此性能与振动陀螺仪相当,但还有很大余地可以提高性能。

(责任编辑:MEMS)
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