شکل ۸-۱- دیاپازون سه‌شاخه و نحوه ارتعاش آن [۵] شکل ۹-۱- کواپازون چهار شاخه
۱-۴-۶-۱) میکروجایرو دیاپازونی
اصول عملکرد جایروی دیاپازونی بدین صورت است که مود دوم ارتعاشات طبیعی دیاپازون (حرکت شاخه‌ها در خلاف جهت هم) در امتداد محور x توسط یک سیستم الکتریکی و یا مغناطیسی تحریک و تشدید میگردد، به طوریکه دامنه ثابتی برای این ارتعاشات برقرار گردد. وجود سرعت زاویهای پایه ژیروسکوپ باعث بروز شتاب کوریولیس و در نتیجه انحراف شاخکها در جهات مختلف میگردد. دامنه این انحراف متناسب با سرعت می باشد.
معمولترین نوع دراین خانواده، نوع دیاپازونی می‌باشد. انواع بزرگ این ژیروسکوپ‌ها اولین بار با وزن ۷ کیلوگرم ساخته شد که علیرغم وزن زیاد، از دقت کافی برخوردار نبود. نوع کاملتر ژیروسکوپ دیاپازونی، نوع متقارن H شکل (دو طرفه) آن می‌باشد که دارای کارآئی و دقت بهتر می‌باشد. حساسیت به ارتعاشات خطی پایه ژیروسکوپ از معایب هر دو نوع می‌باشد (شکل ۱۰-۱). ژیروسکوپ‌های شانه‌ای از انواع ساختارهای کاملتر و کلی‌تر دیاپازونی و شاخه‌ایی هستند که به راحتی در IC ها تعبیه شده و ساختار صفحه‌ای را ایجاد می‌کنند.
در سال ۲۰۰۲، Seshia یک‌جایروی MEMS با اصول کارکرد اندازه‌گیری تشدید را ارائه نمود[۱]. این جایرو با بهره گرفتن از فن‌آوری SNL IMEMS ساخته شده است. سنسور پلی سیلیکونی آن دارای ابعاد ۲/۱میلیمتر × ۲/۱ میلیمتر است و ضخامتی حدود ۲۵/۲ میکرومتر دارد. این سیستم شامل یک جرم حساس (Proof mass) معلق شده به وسیله فنر خمشی متصل به قاب خارجی صلب است. جرم حساس با بهره گرفتن از اکچویتورهای شانه تحریک جانبی نسبی به سمت فریم خارجی رانده می‌شود. شانه‌هائی جهت از بین بردن خطا و خود کنترلی اختصاص یافته‌اند. [۸]
شکل۱۰-۱- میکروجایرو دیاپازونی
ساختارهای تک شاخه ساده‌ترین انواع ژیروسکوپ‌های شاخه‌ای هستند، که به خاطر اینکه فقط از یک تیر تشکیل شده‌اند، نیاز به تنظیم همسان و متقارن بودن ساختار نخواهد بود. شکل ۱۱-۱ نمای بالای یک میکروجایروی پیزوالکتریک را نشان می‌دهد. در این طراحی چهار سنسور تیری وجود دارند. هر سنسور تیری یک لایه پیزوالکتریک (PZT) دارد و در دو طرف آن دو لایه الکترود وجود دارد. ابعاد هرکدام از این لایه‌ها ۸۰۰×۳۸۰ میکرومتر می‌باشد. بنابر تاثیر مستقیم پیزوالکتریک، وقتی یک سیگنال AC ورودی به کار برده شود سنسور تیری شماره یک و سه فشرده شده و فرکانسی معادل آن سیگنال ورودی ایجاد می‌کند، این ساختار مرکزی و سنسور تیری وادار به ارتعاش در فرکانسی معادل فرکانس ورودی به کار رفته می‌شوند. ساختار شکل۱۲-۱یعنی تیر با دو تکیه‌گاه مفصلی، عملکرد بهتر و حساسیت کمتری دارد. مقطع تیر می‌تواند به شکل مربع و یا مثلث باشد. یک نوع با پروفیل مربعی که در آن از چهار عدد سلول پیزو الکتریک و ارتباط فیدبک برای اندازه‌گیری و تعیین سیگنال خروجی استفاده می‌شود، در مدار میرا کنندگی اتوپایلوت شرکت بوئینگ استفاده شده است. در این ساختار به علت استفاده از بخش غیر خطی رفتار سلول پیزوالکتریک برای ورودی‌های کم، در عمل آستانه حساسیت ژیروسکوپ نسبتا بزرگ می‌باشد. این عیب در ژیروسکوپ‌های شرکت Gyrostar Murata با پروفیل مثلثی مقطع تیر برطرف شده است. در این نوع، ۳ المان پیزوالکتریک نصب میگردد که دو تا از آنها برای استخراج سیگنال خروجی به کار می‌روند. شرکت Murata Gyrostar برای اولین بار این جایرو را در سال ۱۹۹۸ ارائه نمود و شرکت Systron Donner نیز بر روی تراشه‌هایش از آن استفاده کرد. جایرو مثلثی ارتعاشی پیزوالکتریکی دارای یک میله دوسرآزاد است که دارای مقطع مثلثی متساوی‌الاضلاع است و در طول میله شکل و ابعاد این مثلث هیچ تغییری نمی‌کند. جنس این میله از مواد کاملاً یکنواخت و الاستیک می‌باشد. سه قطعه سرامیک PE برروی سه وجه این میله قرار دارند.
شکل ۱۱-۱- نمای بالای یک میکروجایروی پیزوالکتریک
شکل۱۲-۱- تیر با دو تکیه‌گاه مفصلی
۵-۶-۱- میکروجایروهای اپتیکی (نوری MOEMS1 )
اصطلاح MOEMS به دو نوع کاملاً متفاوت میکروجایروها اطلاق میگردد، اولین گروه ژیروسکوپ‌های MEMS هستند که فرایند آشکارسازی در آنها به طریقه اپتیکی صورت می‌گیرد، که با هدف حذف خطای ناشی از سیستم‌های آشکارسازی قبلی (پیزوالکتریک و خازنی) به کار گرفته شده‌اند. در مقالاتی ژیروسکوپ ارتعاشی با تشخیص(pickoff) نوری گزارش شده است. [۲] گروه دوم، که از چشم‌انداز بسیار خوبی برای رسیدن به میکروجایروهای دقیق (در کلاس ناوبری) برخوردارند، کاملا اپتیکی بوده و در ردیف ژیروسکوپ‌های نوری (ژیروسکوپ‌های لیزر حلقوی و ژیروسکوپ‌های فیبر نوری) قرار می‌گیرند.
۱-۵-۶-۱- میکروجایروهای نوری (لیزری)
برای عملکرد بهتر از ۰٫۱o/hr پیشنهاد شده است که یک لیزری حلقوی با ساختار MEMS مانند آنچه در شکل ۱۳-۱ دیده می‌شود استفاده گردد. همانطور که در شکل دیده می‌شود، ساختار ژیروسکوپ‌های لیزر حلقوی (Ring Laser Gyro) در اینجا حفظ شده است. آینه‌های MOEMS بر روی زیر لایه (Substrate) سیلیکونی قرار گرفته و یک رزوناتور بسته(حلقوی) را ایجاد می کند. یک دیود لیزری (LD) در داخل حلقه (کاواک) نور لیزر مورد نیاز را تولید می‌کند. دو بخش متمایز دیگر یکی منشور تداخل امواج لیزری مختلف الجهت و متعلقات آن و آینه متحرک جهت تنظیم محیط حلقه (رزوناتور) می‌باشد. نور لیزر ایجاد شده در دیود لیزری در دو جهت مخالف هم (ساعت‌گرد و پادساعت گرد) در رزوناتور منتشر شده و در منشور مخلوط کن، طیف تداخلی تشکیل می‌دهند. سرعت حرکت این طیف تداخلی جهت آشکارسازی زاویهای ورودی ژیروسکوپ مورد استفاده قرار می‌گیرد. از لحاظ عملکردی ژیروسکوپ لیزری عبارتست از یک لیزر حلقوی که در آن دو موج الکترو مغناطیسی در خلاف یکدیگر در یک مسیر بسته منتشر می‌شوند. [۲] در اثر گردش ژیروسکوپ به دور محور عمود بر صفحه رزوناتور اختلاف فرکانس (فرکانس ضربان) بین دو موج یاد شده بوجود می‌آید، که متناسب با سرعت زاویهای گردش می‌باشد. این ارتباط بصورت ذیل بیان می شود:
که تغییر فرکانس تولید اشعه لیزر، سرعت زاویهای جسم حامل ، مساحت مسیر بسته(کاواک) لیزر، L محیط آن و طول موج لیزر است. با اندازه‌گیری این فرکانس می‌توان مقدار سرعت زاویهای جسم حامل ژیروسکوپ را بدست آورد و با انتگرالگیری فرکانس مقدار زاویه چرخش بدست می‌آید. رابطه فوق رابطه ژیروسکوپ لیزری در حالت ایده‌آل می‌باشد و بیانگر اصول کار ژیروسکوپ لیزری است [۲]. این ژیروسکوپ با وجود مستعد بودن، دارای چالشهای تکنولوژیکی فراوانی تا مرحله میکروشدن می‌باشد، زیرا با کوچک شدن نویز معادل چرخشی آن افزایش می‌یابد. عمده ترین مزیت های آن بر های دیگرعبارتند از:
- دقت بسیار خوب
- حساسیت کم به تغییرات درجه حرارت
- عدم حساسیت به شوک و ارتعاش بواسطه نداشتن قطعات متحرک.
- مصرف انرژی کم
