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QMEMS陀螺儀結構及工作原理淺析

在談EPSON陀螺儀之前,先讓AG亚游官网了解一下陀螺儀的原理和曆史。

早 期的陀螺儀是一種機械裝置,主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子,轉子裝在一支架內;在通過轉子中心軸XX1上加一內環架,那麽陀螺儀就可環繞 平麵兩軸作自由運動;然後,在內環架外加上一外環架;這個陀螺儀有兩個平衡環,可以環繞平麵三軸作自由運動,就是一個完整的陀螺儀。

 

圖1:陀螺儀結構圖

 

在 現在常見的智能手機、遊戲手柄等設備裏麵的是微機械陀螺儀(MEMS陀螺儀),MEMS陀螺儀利用科裏奧利力—旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。通 過給徑向上的電容板加震蕩啟動電壓使物體做徑向運動,橫向的科裏奧利力運動帶來的電容變化,因為科裏奧利力正比於角速度,所以測量電容的變化可以計算出角 速度。

 

圖2:科裏奧利力

 

EPOSN陀螺儀采用了QMEMS陀螺儀,即石英晶體(QUARTZ)+微機械(MEMS)陀螺儀。所謂QMEMS是指那些對石英原料使用精密加工(光刻)技術,集結了機械、電子、光學、化學等相關的各種功能,具備高精度、高穩定性等附加價值的晶體元器件。

 

以EPSON XV4001的兩軸為例,如圖所示:

 

圖3:EPSON XV4001

 

通 過切割時石英晶體為H,兩側為振動臂,中心為零位輸出,該構造可使陀螺儀兩側振動臂相對照進行振動,再由檢測臂準確檢測承載的物體是否存在振動或轉動。當 角速度傳感器相對穩定沒有旋轉時,兩側振動臂相對於中心的數據作為參考值,當發生旋轉時,由於晶體的壓電效應兩側振動臂對於中心,會出現不同的偏轉數值, 根據此偏轉,由處理器計算出角度的數值通過通信接口輸出,用戶直接會得到通信接口送出來的角度數值。

 

EPOSN之所 以選擇石英晶體(QUARTZ)+類似半導體MEMS的生產製程,首先是因為傳統MEMS陀螺儀蕩器結構非常複雜,包括了AD轉換器、溫度補償電路、偏流 電路等等,它最大的薄弱環節就在於其溫度特性變化非常劇烈,陀螺儀檢測範圍限製在+/-2g左右;而QMEMS陀螺儀則采用石英晶體為元件,石英晶體硬度 及理化性質穩定,頻率基本不隨溫度變化,由此產生的內部振蕩損失也最小,QMEMS陀螺儀則可以將範圍擴展至數百g左右。因此,QMEMS陀螺儀對於追求 高精度、高穩定性的電子設備是非常適合的。