微型陀螺（Micro Gyroscope）是有旋转对称轴，并绕此轴上一固定点运动的均质刚体，它是惯性测量组合（Inertial Measurement Unit）的核心部件，一般用于测量旋转速度或旋转角度。高速旋转的陀螺具有很大的惯性，使它主轴的位置在惯性空间保持稳定不变；在受到外力矩作用时，陀螺会产生“十字交叉”的进动，自转角速度越高，对称轴偏角越小，进动角速度越小；当有外界加速度输入时，会产生陀螺效应（Gyro-effect），从而产生作用在迫使对称轴改变方向的物体上的陀螺力矩，从而可计算物体的角速度。
传统陀螺有机械陀螺和光学陀螺，用于飞机、导弹、舰船制导，紧密度高、体积大、结构复杂、价格昂贵，如经典的框架式机械转子陀螺的组装部件就超过了300个，而无机械转子的激光陀螺、光纤陀螺和半球谐振陀螺等，无法满足小型设备的惯性导航、制动调控等多点位转速与转角检测的要求。新一代的微型陀螺受到普遍关注，其中硅谐振陀螺的尺寸为微米级，且功耗小、寿命长、漂移低、耐冲击，产品已应用于制动调控、惯性导航等许多领域。微型陀螺的结构主要有万向接头式（也称硅谐振式）和谐振轮式两种，以下将做详细介绍。
（一）万向接头式微型陀螺
万向接头式微型陀螺是一种单轴角速度陀螺。早在1991年，Greiff等人就已制作出万向接头结构的微型陀螺，它为万向接头式微型陀螺的早期样品，陀螺的外框架在恒定振幅下由静电驱动，内框架的运动可被感知。当强迫输入轴改变方向时，输出轴可感知陀螺力矩，并通过电极输出，计算输入的角速度。目前改进的万向接头式微型陀螺的结构如图3-25所示，谐振子M悬挂在弹簧和阻尼器上，弹簧和阻尼器的另一端固定在硅微结构框架上，用激励电路驱动谐振子使其进行在X方向上进行等幅谐振，若固定在精微结构框架上的谐振系统绕Z轴旋转，则谐振子在Y方向上受到交变的哥氏力作用，通过感知旋转哥氏力或哥氏加速度，来检测角运动状态的参数。其中，谐振子是万向接头式微型陀螺的核心器件，它有多种结构形式，如半球壳或中空圆柱环对称结构等。
图3-25 万向接头式微型陀螺的结构
（二）谐振轮式陀螺
图3-26所示为谐振轮式陀螺结构图，在玻璃基底上制作检测电极、闭环反馈极及连接引线。基底中心处键合一固定支座为梳状振动轮旋转轴，微型谐振轮与十字簧片梁键合后支承在支座上的中心轮毂上，谐振轮外缘用两轴线与辅振动轴线重合的片簧扭杆与外框架连接。(www.xing528.com)
图3-26 谐振轮式陀螺结构图
1、9—固定梳电极；2—衬底；3—支座；4—主振动旋转轴；5—检测电极；6—辅振动模态；7—片簧扭杆；8—驱动梳；10—弯曲簧片；11—主振动模态；12—辅振动旋转轴；
整个结构由作用在谐振轮上的静电吸引力驱动，使谐振轮绕Z轴、在X-Y平面内作弯曲振荡。此时若基底相对于惯性空间沿X轴方向有角速度输入时，就会产生哥氏力，由于片簧扭杆在X-Y平面内抗弯刚度高而抗扭刚度低，所以哥氏力仅使整个装置绕Y轴扭转振动。这样谐振轮既可绕Z轴做弯曲振动，又使框架绕Y轴作扭转振动，两者之间是独立的。通过调节十字片簧梁和片簧扭杆的刚度，使两者的振动频率一致或非常接近，就可实现高灵敏度角速度检测。
如在微型无人直升机飞行控制中，可采用微型角速率陀螺采集直升机三个方向的角速率（横滚角速率、俯仰角速率、航向角速率），比如ADI公司的ADXRS150微机械陀螺，它的量程、带宽及零位电压可通过外部电阻和电容设定，其内部包含电压输出式温度传感器、2.5V基准电压源和电荷泵式DC/DC电源变换器，并具有自检测功能，而且它采用密封装置，抗振动、抗冲击能力强，可抑制2000g的冲击，能承受榴弹炮发射的冲击。其性能指标见表3-1。
表3-1 ADXRS150性能指标
（续 表）
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
