單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)及原理

事實(shí)上，MEMS傳感器是消費(fèi)電子實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用不可或缺的關(guān)鍵元器件。近年來(lái)，從游戲機(jī)到手機(jī)，從筆記本電腦到白色家電，很多消費(fèi)電子產(chǎn)品利用低g加速計(jì)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制的用戶(hù)界面和增強(qiáng)型保護(hù)系統(tǒng)?，F(xiàn)在該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)發(fā)揮作用，推動(dòng)新一波令人興奮的創(chuàng)新應(yīng)用高速增長(zhǎng)。

有關(guān)能夠測(cè)量線性加速度的MEMS加速計(jì)的技術(shù)文章已經(jīng)很多，因此，本文基本上不涉及加速傳感器，把更多的筆墨留給陀螺儀、地磁感應(yīng)計(jì)等具有多個(gè)自由度檢測(cè)功能的元器件。

MEMS陀螺儀

陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，是補(bǔ)充MEMS加速計(jì)功能的理想技術(shù)。事實(shí)上，如果組合使用加速計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，為最終用戶(hù)提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶(hù)使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

ST在MEMS市場(chǎng)的份額正在快速增長(zhǎng)。作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)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陀螺儀的核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)，利用科里奧利原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。

我們以一個(gè)單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡(jiǎn)單的工作原理（圖1）。兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)科里奧利力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向，如黃色箭頭所示。產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)閭鞲衅鞲袘?yīng)部分的運(yùn)動(dòng)電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)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(gè)專(zhuān)用電路可以檢測(cè)的電參數(shù)。

圖 1：?jiǎn)屋SMEMS偏航陀螺儀

ST研制的微機(jī)械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已為ST制造了6億多顆加速傳感器，選擇成功的技術(shù)可為客戶(hù)提供最先進(jìn)的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應(yīng)用。因?yàn)镾T選用了音叉方法設(shè)計(jì)陀螺儀，其差分特性使系統(tǒng)本身對(duì)作用在傳感器上的無(wú)用線性加速度和雜亂振動(dòng)的敏感度低于市場(chǎng)上現(xiàn)有的其它類(lèi)型陀螺儀。當(dāng)這些無(wú)用的信號(hào)被施加到陀螺儀上時(shí)，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)沿相同方向位移，在一個(gè)差分測(cè)量后，最終的電容變化將視為無(wú)效。

在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡(jiǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分（圖2）：

- 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)靜電激勵(lì)方法，使驅(qū)動(dòng)電路前后振蕩，為機(jī)械元件提供勵(lì)磁；

- 感應(yīng)部分通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移，這是一個(gè)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(qiáng)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(hào)。

圖 2：一個(gè)單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在控制電路內(nèi)部有先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，當(dāng)不需要傳感器功能時(shí)，可關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)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(cè)傳感器上施加的角速率時(shí)，在接到用戶(hù)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(jì)類(lèi)似，MEMS陀螺儀也沿用一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）方法，機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個(gè)封裝內(nèi)。

智能設(shè)計(jì)方法結(jié)合先進(jìn)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），同時(shí)在最終產(chǎn)品的生命周期內(nèi)確保傳感器的穩(wěn)定性和高性能。

圖 3：采用超小LGA封裝的ST多軸陀螺儀

意法半導(dǎo)體為客戶(hù)提供1軸-3軸、30dps-6000dps的各種陀螺儀傳感器，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠解決不同的應(yīng)用：從圖像穩(wěn)定器到游戲，從指向裝置到機(jī)器人控制。

特別是，像ST的3軸加速度傳感器一樣，高性能3軸陀螺儀的問(wèn)市正在促進(jìn)手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的人機(jī)界面。

不僅有運(yùn)動(dòng)傳感器，還有…

全新的地磁感應(yīng)計(jì)正在融入消費(fèi)電子產(chǎn)品。

磁感應(yīng)計(jì)能夠測(cè)量多個(gè)軸向的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度，讓便攜設(shè)備實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的羅盤(pán)和導(dǎo)航功能。

類(lèi)似于運(yùn)動(dòng)傳感器，消費(fèi)電子產(chǎn)品和手機(jī)也是增長(zhǎng)最快的磁感應(yīng)計(jì)市場(chǎng)，2009年磁感應(yīng)計(jì)市場(chǎng)增幅逾100%。據(jù)iSuppli最新的市場(chǎng)研究報(bào)告，這個(gè)市場(chǎng)增長(zhǎng)非常快，出貨量預(yù)計(jì)從2008年的800萬(wàn)件，增長(zhǎng)到2013年5.40億，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）達(dá)到129%。

在現(xiàn)有的不同的磁感應(yīng)計(jì)芯片制造技術(shù)中，各向異性磁阻（AMR）傳感器的發(fā)展勢(shì)頭銳不可擋，因?yàn)槟軌蛱峁└呖臻g分辨率和高精度、低功耗，特別是低功耗對(duì)電池供電的便攜設(shè)備至關(guān)重要。磁感應(yīng)計(jì)的工作原理是通過(guò)測(cè)量電阻變化來(lái)確定磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)在一個(gè)很薄的鐵條上施加磁力線方向與經(jīng)過(guò)鐵條的電流方向垂直的磁場(chǎng)時(shí)，鐵條內(nèi)的電阻就會(huì)發(fā)生變化。這種傳感器通常采用單臂電橋形式，如圖4所示，電橋由靜態(tài)阻值相同的磁阻構(gòu)成。在測(cè)量過(guò)程中，電橋被通電壓Vb，有電流通過(guò)電阻。只要施加磁場(chǎng)H，在四個(gè)相反放置的電阻器內(nèi)，有兩個(gè)電阻的磁化矢量轉(zhuǎn)向電流，使電阻值變大，而另兩個(gè)電阻的磁化矢量背離電流，使電阻值變小。在線性范圍內(nèi)，傳感器輸出與所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

圖 4：磁阻傳感器：簡(jiǎn)圖

隨著手機(jī)成為傳感器最熱的應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)配合加速計(jì)實(shí)現(xiàn)傾斜補(bǔ)償羅盤(pán)應(yīng)用時(shí)，磁感應(yīng)計(jì)越來(lái)越被市場(chǎng)看好。例如，意法半導(dǎo)體的6D模塊LSM303DLH就是一個(gè)有6個(gè)自由度（6 DOF） 的磁感應(yīng)計(jì)。 這款產(chǎn)品在一個(gè)超小的LGA封裝內(nèi)集成一個(gè)高性能的3軸加速計(jì)與一個(gè)高分辨率的3軸磁感應(yīng)計(jì) （圖5）。磁感應(yīng)計(jì)單元包括附加的電流帶，可以通過(guò)電方式給輸出磁極“置位”或“復(fù)位”，并施加一個(gè)偏移磁場(chǎng)來(lái)修正環(huán)境磁場(chǎng)。

圖 5:LSM303DLH 3x 在一個(gè)超小的LGA封裝內(nèi)整合一個(gè)3軸加速計(jì)和一個(gè)3軸磁感應(yīng)計(jì)

在建筑物和汽車(chē)內(nèi)，在高緯度地區(qū)，如北美和北歐，很難用霍爾型磁感應(yīng)計(jì)檢測(cè)地球磁場(chǎng)傾角，而LSM303DLH能夠提供準(zhǔn)確的3D的行進(jìn)方向。配合支持各種主流的手機(jī)操作系統(tǒng)的行進(jìn)、自動(dòng)校準(zhǔn)和軟/硬鐵補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)程序，LMS303DLH六維磁感應(yīng)計(jì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能提供一個(gè)強(qiáng)大的工具。

特別值得一提是，整合加速計(jì)、陀螺儀和磁感應(yīng)計(jì)，并均衡地利用三者的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，可在在導(dǎo)航解決方案的核心部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)所謂的慣性測(cè)量單元（IMU）。換句話說(shuō)，平臺(tái)開(kāi)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系統(tǒng)配合使用，能夠在衛(wèi)星信號(hào)很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒(méi)有信號(hào)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(lái)，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(huì)整合在一起，并顯示在用戶(hù)的手機(jī)顯示屏幕上，這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會(huì)為手機(jī)用戶(hù)帶來(lái)好處，例如，手機(jī)用戶(hù)可以獲得位于某一個(gè)購(gòu)物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品的方位提示，接收根據(jù)用戶(hù)興趣訂制的商品特價(jià)和打折信息。

這樣的應(yīng)用現(xiàn)已出現(xiàn)在市場(chǎng)上，例如，在荷蘭，Android手機(jī)用戶(hù)可以安裝新增的移動(dòng)現(xiàn)實(shí)空間瀏覽器Layar。

在大多情況下，新出現(xiàn)的開(kāi)放軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目更易遭遇到先進(jìn)的感應(yīng)功能，所以新的軟件平臺(tái)鼓勵(lì)全社區(qū)的開(kāi)發(fā)人員團(tuán)結(jié)協(xié)作，開(kāi)發(fā)符合自己需求的應(yīng)用軟件，同時(shí)給電子設(shè)備增加價(jià)值。

整合MEMS加速計(jì)、陀螺儀和地磁感應(yīng)計(jì)的模塊正在進(jìn)入廉價(jià)的電子玩具市場(chǎng)，傳感器模塊提供的動(dòng)作捕捉功能可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的游戲體驗(yàn)，還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂(lè)：孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物，用人類(lèi)自然的動(dòng)作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤(pán)一類(lèi)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：我們最近推出的微型、可靠、低價(jià)的MEMS陀螺儀和磁感應(yīng)計(jì)通常集成了MEMS加速計(jì)，可使多種消費(fèi)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，為用戶(hù)提供更好的如臨其境的現(xiàn)場(chǎng)感。意法半導(dǎo)體是您首選的一站式MEMS元器件供應(yīng)商，上文提到的全部元器件都在意法半導(dǎo)體的傳感器產(chǎn)品組合內(nèi)。憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計(jì)和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得進(jìn)步，結(jié)合最先進(jìn)的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，意法半導(dǎo)體正在推動(dòng)感應(yīng)功能一體化時(shí)代，進(jìn)一步加強(qiáng)其MEMS傳感器在消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。