1.1 概念簡介

微陀螺儀是屬于微機械的一種。微機械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械系統。微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的 21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可将機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。微機械陀螺儀屬于一種振動式角速率傳感器，用于測量旋轉速度或旋轉角，作為重要的慣性器件，具有質量輕、體積小、成本低、可靠性好、穩定性高、功耗低、精度高、性能優等諸多優點，在工業控制、航空航天、汽車和消費類電子産品等領域中得到廣泛的應用。

1.2 MEMS陀螺儀研究曆史及發展現狀

微機械陀螺的研究始于20世紀80年代，經過幾十年的研究國外相關已經比較成熟，衆多科研單位及公司如美國Draper實驗室、ADI公司、Berkeley大學，德國Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國家，已有商業化産品。

我國的MEMS 技術研究工作起步較晚，但正積極開展研究，國家已經投入巨資用于MEMS陀螺技術的研究。目前主要的科研單位有清華、北大、中科院上海微系統所、複旦大學、哈工大等多家單位，經過十多年的努力，在基礎理論、加工技術和工程應用等方面的研究已取得了明顯的進步。但不可否認，與國外差距仍然較大，高性能微機械陀螺少有商業化産品。

1.3 研究目的

微機械的尺寸一般都是在厘米級别的，有的甚至已經到了毫米級别。由此可見，微機械的加工以及制造時十分困難的。

如今，完全封裝過後的微陀螺儀的最小尺寸已經到了1.5mm左右，甚至更小。那麼，要加工如此細微的零件，對于機械裝備、機械技術以及加工人員的考驗是非常大的。而且，不像是傳統普通零件加工，可以出現一點點的誤差。對于如此之小的微型機械，一旦加工之中出現了一些錯誤，即使是偏離一微米，對于微陀螺儀來說，都是極大的錯誤。

所以，微陀螺儀的設計與制造過程以及加工工藝的編排，在整個生産過程之中都是重中之重。一旦，微陀螺儀的設計與制造過程以及加工工藝的編排出現問題，不管是哪個環節出現了問題，也不管是這個環節多麼細微，整個生産情況都會出現嚴重的問題。如果是設計環節出現了問題，整個生産都要被打斷，然後重新設計微陀螺儀，重新布置加工過程，重新編排加工工藝。

如果是制造過程出現了問題，那麼多半是機械質量不達标，或者是機械所處的環境标準不夠。同樣的，隻有購置新的加工機械，或者重新處理加工車間的問題。如果是加工工藝出現了問題，那麼就需要重新編排加工工藝。

所以，對于微陀螺儀的研究目的，就是減少生産損失，增加生産成功率，減少生産廢品率，保證投資得到良好的回報。

1.4 研究辦法

由于微陀螺儀的加工，遠遠不同于傳統機械加工，。傳統的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉動的物體，它的轉軸指向不随承載它的支架的旋轉而變化。但是微機械陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術在矽片襯底上加工出一個可轉動的結構可不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科裡奧利力（也叫哥氏力）--旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。微陀螺儀的原理：

圖 1.1 科裡奧利力

微機械陀螺儀利用了哥氏力現象，其原理如圖1所示。當圖中的物體沿X軸做周期性振動或其他運動時，并且XY坐标系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉運動，就會在該物體上産生一個沿Y軸方向的哥氏力，其矢量可按下式（1.1）計算。

式中：F(t)是哥氏力，m是該物體的質量，ΩZ是坐标系旋轉的角速度，是該物體的矢量速度。

微陀螺儀基本上就是利用這個原理制造成的，不同的微陀螺儀，進行感應測算的零件材料和方法是不同的。

進行了微陀螺儀設計之後，就需要對微陀螺儀進行驗算或者測試，保證微陀螺儀在各種各樣需要的環境之下都能可靠運行，同時還能保證足夠的感應精度。最主要的是，微陀螺儀要有足夠的耐用度，沒有足夠的耐用度，微陀螺儀就是一個雞肋。畢竟微陀螺儀實在是太小了，更換的時候肯定十分困難，所以，必須要有足夠的耐用度。

所以，微陀螺儀的研究方法，基本上可以概括為做實驗。

利用各種不同的材料和感應方法，首先做出各種不同種類的微陀螺儀，然後在各個不同的環境下進行試驗，對他們進行橫向比較，一點點的改進，更換材料，保證微陀螺儀的質量不斷上升。

完成了設計之後，微陀螺儀就進入了加工工藝編排過程。

微陀螺儀的加工工藝編排是十分重要的，沒有良好的加工工藝，對于微陀螺儀這樣的精密儀器，是生産不出來的。微陀螺儀由于是微機械，所以加工使用的機械都是高科技産品，設備昂貴。編排加工工藝的時候，必須要保證完美無缺，否則不但會損失材料，還有可能造成加工機械的破壞損失，這就是大禍事了。

微機械加工的時候，對于車間的溫度、氣壓、空氣的清潔度、加工人員的防護度都有極高的要求，務必做到嚴格執行相關标準。否則生産過程之中就會造成極大的損失，以後處理起來也會十分困難。

微機械陀螺儀根據驅動與檢測方式分為四種：①靜電驅動，電容檢測；②電磁驅動，電容檢測；③電磁驅動，壓阻檢測；④壓電驅動，電容檢測。其中靜電驅動、電容檢測的陀螺儀設計最為常見，并已有部分産品已研制成功。就目前已研制成功的微機械陀螺儀來說，其結構有以下兩種：①音叉式結構，它利剛線振動來産生陀螺效應：②雙框架結構，它利用角振動來産生陀螺效應。雙框架角振動微機械陀螺儀研制較早，雖制作工藝簡單，但音義式線振動微機械陀螺儀的靈敏度優于雙框架角振動微機械陀螺儀。

一個優秀的微陀螺儀，不一定是最實用的微陀螺儀。微陀螺儀的生産，不僅僅是關系到了微陀螺儀的緊密程度，還包括實用程度。未脫落的實用程度包括很多方面：

一，成本。成本是機械加工生産過程之中最關鍵的因素，基本上九成以上的加工手段都是在減少生産成本。不斷地降低生産成本是機械加工行業的永恒話題。同樣，生産微陀螺儀也必須考慮到生産成本，否則生産出來的微陀螺儀賣不出去，那到時候就虧大了

二，生産工藝的複雜程度。生産工藝的複雜程度也關系到了生産成本。不過，我在這裡還是要提出來說一下。不同的微陀螺儀，生産的工藝差别也很大，制作的難易程度也就不同。生産工藝簡單的微陀螺儀，在生産的時候成功率就會高很多，對于材料的浪費很少，産生的利潤也就很高，單位利潤對于機械的磨損什麼的也就很少。生産工藝複雜的微陀螺儀，成功率也就會相應的減少，産生的利潤也就減少，得不償失。

三、微陀螺儀的靈敏度。微陀螺儀的靈敏度是微陀螺儀的最重要的标志之一，也是微陀螺儀的應用範圍廣闊與否的标志。靈敏度高的微陀螺儀，應用的範圍也就越加廣泛，在各種高科技産品之中都可以找到一席之地。但是，靈敏度低的微陀螺儀，在有的範圍就不能夠被應用。

微陀螺儀的生産，要考慮到成本，加工的難易程度，靈敏程度。如果是運用在不需要很高的靈敏度的地方，比如說是手機、平闆電腦什麼的，那麼微陀螺儀的制造就不需要很高的成本，靈敏度足夠使用就行了。但是在運用到衛星、機器人等等尖端科技上面的時候，就需要足夠的靈敏度，這個時候就不要考慮成本了。

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