QMEMS陀螺仪结构及工作原理浅析

在谈EPSON陀螺仪之前，先让我们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。