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QMEMS陀螺仪结构及工作原理浅析

在谈EPSON陀螺仪之前,先让AG亚游官网了解一下陀螺仪的原理和历史。

早 期的陀螺仪是一种机械装置,主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子,转子装在一支架内;在通过转子中心轴XX1上加一内环架,那么陀螺仪就可环绕 平面两轴作自由运动;然后,在内环架外加上一外环架;这个陀螺仪有两个平衡环,可以环绕平面三轴作自由运动,就是一个完整的陀螺仪。

 

图1:陀螺仪结构图

 

在 现在常见的智能手机、游戏手柄等设备里面的是微机械陀螺仪(MEMS陀螺仪),MEMS陀螺仪利用科里奥利力—旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。通 过给径向上的电容板加震荡启动电压使物体做径向运动,横向的科里奥利力运动带来的电容变化,因为科里奥利力正比于角速度,所以测量电容的变化可以计算出角 速度。

 

图2:科里奥利力

 

EPOSN陀螺仪采用了QMEMS陀螺仪,即石英晶体(QUARTZ)+微机械(MEMS)陀螺仪。所谓QMEMS是指那些对石英原料使用精密加工(光刻)技术,集结了机械、电子、光学、化学等相关的各种功能,具备高精度、高稳定性等附加价值的晶体元器件。

 

以EPSON XV4001的两轴为例,如图所示:

 

图3:EPSON XV4001

 

通 过切割时石英晶体为H,两侧为振动臂,中心为零位输出,该构造可使陀螺仪两侧振动臂相对照进行振动,再由检测臂准确检测承载的物体是否存在振动或转动。当 角速度传感器相对稳定没有旋转时,两侧振动臂相对于中心的数据作为参考值,当发生旋转时,由于晶体的压电效应两侧振动臂对于中心,会出现不同的偏转数值, 根据此偏转,由处理器计算出角度的数值通过通信接口输出,用户直接会得到通信接口送出来的角度数值。

 

EPOSN之所 以选择石英晶体(QUARTZ)+类似半导体MEMS的生产制程,首先是因为传统MEMS陀螺仪荡器结构非常复杂,包括了AD转换器、温度补偿电路、偏流 电路等等,它最大的薄弱环节就在于其温度特性变化非常剧烈,陀螺仪检测范围限制在+/-2g左右;而QMEMS陀螺仪则采用石英晶体为元件,石英晶体硬度 及理化性质稳定,频率基本不随温度变化,由此产生的内部振荡损失也最小,QMEMS陀螺仪则可以将范围扩展至数百g左右。因此,QMEMS陀螺仪对于追求 高精度、高稳定性的电子设备是非常适合的。