MEMS陀螺儀的原理與應(yīng)用優(yōu)勢分析

1、MEMS陀螺儀的原理與應(yīng)用優(yōu)勢分析作者：Fabio Pasolini意法半導(dǎo)體消費電子設(shè)備早在幾年前就開始使用MEMS加速計。從游戲機到手機，從筆記本電腦到白色家電，運動控制式用戶界面和增強的保護系統(tǒng)給所有的消費電子產(chǎn)品帶來很多好處。現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了，消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，而MEMS加速計則能測量線性加速度，因此這兩者是一對理想的互補技術(shù)。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。ST在EMES市

2、場的份額正在快速增長，作為全球公認的消費電子和手機市場最大的MEMS傳感器供應(yīng)商，ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。ST研制的微機械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù)，ST利用這項技術(shù)已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器， 選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應(yīng)用。ST陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元，按照一個音叉機制運轉(zhuǎn)，利用Coriolis原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。我們以一個單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理（圖1）。兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動，如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會產(chǎn)生一個與質(zhì)

3、點運動方向垂直的科里奧利力，如圖中黃色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應(yīng)部分的運動電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個專用電路可以檢測的電參數(shù)。圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀因為ST選用了音叉方法設(shè)計陀螺儀，其差分特性使系統(tǒng)本身對作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低于市場上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號被施加到陀螺儀，兩個質(zhì)點就會沿相同方向位移，在一個差分測量后，最終的電容變化將視為無效。在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電

4、路可簡化為電機驅(qū)動部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2): - 電機驅(qū)動部分通過靜電激勵方法，使驅(qū)動電路前后振蕩，為機械元件提供勵磁；- 感應(yīng)部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點上產(chǎn)生的位移，這是一個穩(wěn)健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號。圖 2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖在控制電路內(nèi)部有先進的電源關(guān)斷功能，當(dāng)不需要傳感器功能時，可關(guān)閉整個傳感器，或讓其進入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺儀的總功耗，當(dāng)需要檢測傳感器上施加的角速率時，在接到用戶的命令后，傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。與ST的MEMS加速計類

5、似，MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法，機械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。智能設(shè)計方法結(jié)合先進的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減，多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5 mm2 ，最大厚度僅為1mm (圖3)。圖 3:采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀意法半導(dǎo)體為客戶提供多軸感應(yīng)、30dps到6000dps量程的各種陀螺儀傳感器，讓系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠解決不同的應(yīng)用需求，從圖像穩(wěn)定器到游戲，從指向裝置到機器人控制。除上述傳統(tǒng)應(yīng)用外，整合加速計和陀螺儀可以實現(xiàn)導(dǎo)航解決方案的慣性測量單元。換句話說，平臺開發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù)，將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系

6、統(tǒng)配合使用，能夠在衛(wèi)星信號很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒有信號的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導(dǎo)航服務(wù)。在不久的將來，準(zhǔn)確的方位信息與服務(wù)廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會整合在一起，并顯示在用戶的手機顯示屏幕上，這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會為手機用戶帶來好處，例如，手機用戶可以獲得位于某一個購物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示，接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價和打折信息。整合MEMS加速計和陀螺儀地磁的模塊正在進入廉價的電子玩具市場，傳感器模塊提供的動作感應(yīng)功能可實現(xiàn)互動的游戲體驗，還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂：孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物，用自然的動作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤一類的東西，甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。結(jié)論：就像幾年前加速計的成功故事一樣，意法半導(dǎo)體最近掀起了MEMS陀螺儀消費浪潮，為市場提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀，增強多種消費電子產(chǎn)品運動跟蹤功能，實