QMEMS陀螺儀結構及工作原理淺析

　　在談EPSON陀螺儀之前，先讓我們了解一下陀螺儀的原理和歷史。

　　早 期的陀螺儀是一種機械裝置，主要部分是一個(gè)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(guò)轉子中心軸XX1上加一內環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞 平面兩軸作自由運動(dòng);然后，在內環(huán)架外加上一外環(huán)架;這個(gè)陀螺儀有兩個(gè)平衡環(huán)，可以環(huán)繞平面三軸作自由運動(dòng)，就是一個(gè)完整的陀螺儀。

　　圖1：陀螺儀結構圖

　　在 現在常見(jiàn)的智能手機、游戲手柄等設備里面的是微機械陀螺儀(MEMS陀螺儀)，MEMS陀螺儀利用科里奧利力—旋轉物體在有徑向運動(dòng)時(shí)所受到的切向力。通 過(guò)給徑向上的電容板加震蕩啟動(dòng)電壓使物體做徑向運動(dòng)，橫向的科里奧利力運動(dòng)帶來(lái)的電容變化，因為科里奧利力正比于角速度，所以測量電容的變化可以計算出角 速度。

　　圖2：科里奧利力

　　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(shù)，集結了機械、電子、光學(xué)、化學(xué)等相關(guān)的各種功能，具備高精度、高穩定性等附加價(jià)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(guò)切割時(shí)石英晶體為H，兩側為振動(dòng)臂，中心為零位輸出，該構造可使陀螺儀兩側振動(dòng)臂相對照進(jìn)行振動(dòng)，再由檢測臂準確檢測承載的物體是否存在振動(dòng)或轉動(dòng)。當 角速度傳感器相對穩定沒(méi)有旋轉時(shí)，兩側振動(dòng)臂相對于中心的數據作為參考值，當發(fā)生旋轉時(shí)，由于晶體的壓電效應兩側振動(dòng)臂對于中心，會(huì )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(guò)通信接口輸出，用戶(hù)直接會(huì )得到通信接口送出來(lái)的角度數值。

　　EPOSN之所 以選擇石英晶體(QUARTZ)+類(lèi)似半導體MEMS的生產(chǎn)制程，首先是因為傳統MEMS陀螺儀蕩器結構非常復雜，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(huán)節就在于其溫度特性變化非常劇烈，陀螺儀檢測范圍限制在+/-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(zhì)穩定，頻率基本不隨溫度變化，由此產(chǎn)生的內部振蕩損失也最小，QMEMS陀螺儀則可以將范圍擴展至數百g左右。因此，QMEMS陀螺儀對于追求 高精度、高穩定性的電子設備是非常適合的。