ไจโรสโคปแบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์ (MEMS) ปฏิวัติเทคโนโลยีตรวจจับการเคลื่อน ไหวด้วยการพัฒนาให้มีขนาดเล็กกะทัดรัด กินไฟน้อย และคุ้มต้นทุน ไจโรสโคป MEMS อาศัย Coriolis Effect ในโครงสร้างการสั่นสะเทือนในระดับไมโคร (Microns) ทำงาน ต่างจากไจโรสโคปแบบเดิมที่อาศัยโรเตอร์หมุนเชิงกลหรือการใช้คุณลักษณะการเดินทางของแสง (Optical Interference)

บทความนี้จะเจาะลึกถึงไจโรสโคป MEMS อย่างละเอียด โดยเปรียบเทียบกับเทคโนโลยี ไจโรสโคปอื่นๆ เช่น ไจโรสโคปเชิงกล ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติก (FOG) และไจโรสโคป เลเซอร์วงแหวน (RLG) ซึ่งจะตรวจสอบหลักการทำงาน ข้อดี ข้อจำกัด และการใช้งาน ของไจโรสโคปเหล่านี้ในด้านอุตสาหกรรมต่างๆ

ไจโรสโคปคืออะไร?

ไจโรสโคปคือ เซ็นเซอร์ที่วัดความเร็วเชิงมุมหรือ การวางทรงตัวในแนวระดับ โดยรักษาความคงตัวในอากาศ (Rigidity in Space) ไจโรสโคปถูกใช้ในการสำรวจและการ เดินทางอย่างแพร่หลาย การรักษาความสมดุลที่มีเสถียรภาพ และการติดตามการเคลื่อนที่ โดยในอดีตนั้น ไจโรสโคปแบบดั้งเดิมอาศัยการอนุรักษ์พลังงานโมเมนตัมเชิงมุม ในขณะที่ไจโรสโคปรุ่นใหม่เช่น ไจโรสโคป MEMS ใช้หลักการทางกายภาพที่แตกต่างกัน

ประเภทไจโรสโคป

1. ไจโรสโคปเชิงกล ไจโรสโคปเชิงกลประกอบด้วยโรเตอร์หมุนที่ติดตั้งบนกิมบอล (gimbals) เพื่อรักษาแนวระดับและทิศทาง ไจโรสโคปนี้แม่นยำสูงแต่มีขนาดใหญ่ ราคาแพง และต้องใช้พลังงานสูง

• คุณสมบัติหลัก
  
  • ความแม่นยำสูง
  • ขนาดใหญ่และน้ำหนักมาก
  • ใช้ในการเดินเรือและการบิน

2. ไจโรสโคปไฟเบอร์ออปติก (FOG) FOG ใช้การรบกวนของการเดินทางคลื่นแสง (Interference) ในใยแก้วนำแสงแบบขดเพื่อตรวจจับการหมุน มีความแม่นยำสูง และไม่สึกหรอตามกลไก

• ‍คุณสมบัติหลัก ‍
  
  • ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว
  • มีความไวสูง
  • ใช้งานด้านอวกาศ (Aerospace) และการทหาร

3. ไจโรสโคปเลเซอร์แบบวงแหวน (RLG) RLG ทำงานบนเอฟเฟกต์ Sagnac ซึ่งลำแสงเลเซอร์ที่เดินทางในทิศทางตรงข้ามจะรบกวนกันเนื่องจากการหมุน

• ‍คุณสมบัติหลัก‍
  
  • ความแม่นยำสูงมาก
  • ราคาแพงและซับซ้อน
  • ใช้ในระบบนำทางด้วยแรงเฉื่อย (INS: Inertial Navigation Systems )

4. ไจโรสโคป แบบ MEMS ใช้โครงสร้างระดับจุลภาคที่มีคุณสมบัติการสั่นสะเทือน เพื่อตรวจจับความเร็วเชิงมุมผ่านปรากฏการณ์ Coriolis

คุณสมบัติหลัก

• ขนาดเล็กและต้นทุนต่ำ
  
  • กินไฟน้อย
  • ใช้ในสมาร์ทโฟน โดรน และระบบยานยนต์

ไจโรสโคป MEMS ทำงานอย่างไร

หลักการพื้นฐาน

ไจโรสโคป MEMS ตรวจจับการหมุนโดยการวัดการเคลื่อนตัวของมวลสั่นสะเทือน ที่เกิดจากแรงโคริโอลิส Coriolis ในไจโรสโคป เมื่อไจโรสโคป MEMS หมุน มวลที่สั่นสะเทือนจะรับแรงตั้งฉาก ซึ่งจะทำการวัดเพื่อกำหนดความเร็วเชิงมุม

โครงสร้างและส่วนประกอบ

• มวลที่สั่นสะเทือนด้วยความถี่เรโซแนนซ์
• อิเล็กโทรด ในการทำให้มวลสั่นและเกิดการขยับเปลี่ยนตำแหน่ง
• อิเล็กโทรดในการตรวจจับ ตรวจจับการเคลื่อนตัวที่เกิดจากโคริโอลิสหรือการไหลเชิงมวล
• ASIC (Application-Specific Integrated Circuit: วงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน) ประมวล ผลสัญญาณ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างไจโรสโคป MEMS และไจโรสโคปประเภทอื่่น

ข้อดีของไจโรสโคป MEMS

• โครงสร้างมีขนาดเล็ก สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์ขนาดเล็กได้
• พลังงานต่ำเหมาะสำหรับระบบที่ใช้แบตเตอรี่
• ผลิตจำนวนมากคุ้มต้นทุน เนื่องจากการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
• ทนต่อแรงกระแทก ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวที่สึกหรอ

การประยุกต์ใช้งานของไจโรสโคป MEMS

1. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่น สมาร์ทโฟน การหมุนหน้าจอ เล่นเกม และอุปกรณ์สวมใส่ ในการติดตามการออกกำลังกาย
2. อุตสาหกรรมยานยนต์ในระบบควบคุมเสถียรภาพอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) และระบบนำทาง
3. การบินและอวกาศ รวมถึงอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ เช่น โดรน UAV และอาวุธนำวิถี
4. ด้านอุตสาหกรรมและหุ่นยนต์
5. ด้านอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น หุ่นยนต์ผ่าตัดและการควบคุมแขนขาเทียม เป็นตัน

สรุป

ไจโรสโคป MEMS สร้างความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ขนาด และต้นทุน จึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ แม้ไจโรสโคป MEMS อาจไม่สามารถ เทียบได้กับความแม่นยำของ FOG หรือ RLG แต่ไจโรสโคป MEMS มีข้อได้เปรียบ ด้านการใช้งานของผู้ใช้และอุตสาหกรรมยานยนต์ทำให้นำไปใช้กันอย่างแพร่หลาย ความก้าวหน้าในอนาคตจะช่วยเพิ่มขีดความสามารถของไจโรสโคป MEMS และขยายขอบเขตการใช้งานที่มีความแม่นยำสูงมากยิ่งขึ้นต่อไป