新型iMEMS角速率檢測陀螺儀

John Geen 和 David Krakauer

ADI公司的ADXRS150和ADXRS300陀螺儀的滿量程范圍為150°/s和300°/s，代表了陀螺儀技術(shù)的一次量子飛躍。作為首款帶有集成電子元件的商用表面微加工角速率傳感器，它們比任何具有類似功能的陀螺儀都更小，功耗更低，抗沖擊和振動(dòng)能力更好。這一真正的突破之所以成為可能，是因?yàn)锳DI公司專有的集成微機(jī)電系統(tǒng)（iMEMS）工藝，該工藝已在數(shù)百萬個(gè)汽車加速度計(jì)中使用。

產(chǎn)品描述

陀螺儀用于測量角速率——物體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。旋轉(zhuǎn)通常參考以下三個(gè)軸之一進(jìn)行測量：偏航、俯仰或滾動(dòng)。

圖1顯示了相對于安裝在平面上的封裝的每個(gè)靈敏度軸的示意圖。具有一個(gè)靈敏度軸的陀螺儀也可用于通過不同安裝陀螺儀來測量其他軸，如右圖所示。在這里，偏航軸陀螺儀（如ADXRS150或ADXRS300）安裝在其側(cè)面，使偏航軸成為橫滾軸。

圖1.旋轉(zhuǎn)靈敏度的陀螺儀軸。根據(jù)陀螺儀通常的位置，其靈敏度主軸可以是三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之一：偏航、俯仰或滾動(dòng)。ADXRS150和ADXRS300是偏航軸陀螺儀，但它們可以通過適當(dāng)?shù)陌惭b方向測量繞其他軸的旋轉(zhuǎn)。例如，在右側(cè)：偏航軸設(shè)備定位用于測量側(cè)傾。

作為如何使用陀螺儀的一個(gè)例子，安裝在以 33 1/3 rpm（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上的偏航軸陀螺儀將測量 360° 乘以 33 1/3 rpm 除以 60 秒或 200°/s 的恒定旋轉(zhuǎn)。陀螺儀將輸出與角速率成比例的電壓，由其靈敏度決定，以毫伏每秒度（mV / °/ s）為單位。滿量程電壓決定了可以測量的角速率，因此在轉(zhuǎn)盤示例中，陀螺儀需要具有至少對應(yīng)于200°/s的滿量程電壓。滿量程受可用電壓擺幅除以靈敏度的限制。例如，ADXRS300的滿量程為1.5 V，靈敏度為5 mV/°/s，處理300°/s的滿量程。ADXRS150的滿量程更有限，為150°/s，但靈敏度更高，為12.5 mV/°/s。

一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是通過在車內(nèi)安裝陀螺儀來測量汽車的轉(zhuǎn)彎速度;如果陀螺儀感覺到汽車正在失控，差速制動(dòng)就會(huì)啟動(dòng)以使其重新控制。角速率也可以隨時(shí)間進(jìn)行積分以確定角位置 - 當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)短時(shí)間丟失時(shí)，對于保持基于GPS的導(dǎo)航的連續(xù)性特別有用。

科里奧利加速

ADI公司的ADXRS陀螺儀通過科里奧利加速度測量角速率?？评飱W利效應(yīng)可以解釋如下，從圖 2 開始?？紤]一下自己站在靠近中心的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。您相對于地面的速度如圖 2 中的藍(lán)色箭頭長度所示。如果您要移動(dòng)到平臺(tái)外邊緣附近的點(diǎn)，您的速度將相對于地面增加，如較長的藍(lán)色箭頭所示。由徑向速度引起的切向速度增加率是科里奧利加速度（以法國數(shù)學(xué)家加斯帕德·G·德·科里奧利斯（Gaspard G. de Coriolis，1792-1843）的名字命名）。

如果Ω是角速率并且是半徑，則切向速度為 Ωr。因此，如果 r 以速度 v 變化，則會(huì)出現(xiàn)切向加速度 Ωv。這是科里奧利加速度的一半。還有一半來自改變徑向速度的方向，總共得到2Ωv（見附錄）。如果你有質(zhì)量M，平臺(tái)必須施加一個(gè)力，2MΩv，以引起這種加速度，質(zhì)量經(jīng)歷相應(yīng)的反作用力。

圖2.科里奧利加速度示例。向北向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)外邊緣移動(dòng)的人必須增加向西的速度分量（藍(lán)色箭頭）以保持北行路線。所需的加速度是科里奧利加速度。

ADXRS陀螺儀利用這種效應(yīng)，使用類似于人在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上移出和移入的共振質(zhì)量。質(zhì)量由多晶硅微加工而成，并拴在多晶硅框架上，因此它只能沿一個(gè)方向共振。

圖3顯示，當(dāng)共振質(zhì)量向旋轉(zhuǎn)的外邊緣移動(dòng)時(shí)，它向右加速并向左對框架施加反作用力。當(dāng)它向旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)，它會(huì)向右施加力，如橙色箭頭所示。

為了測量科里奧利加速度，包含共振質(zhì)量的框架通過彈簧相對于共振運(yùn)動(dòng)以90°拴在基板上，如圖4所示。該圖還顯示了科里奧利感應(yīng)手指，用于電容感應(yīng)框架的位移，以響應(yīng)質(zhì)量施加的力，如下所述。如果彈簧具有剛度 K，則由反作用力產(chǎn)生的位移將為 2 ΩvM/K。

圖4.陀螺儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5顯示了完整的結(jié)構(gòu)，表明隨著共振質(zhì)量的移動(dòng)，以及陀螺儀安裝的表面的旋轉(zhuǎn)，質(zhì)量及其框架經(jīng)歷科里奧利加速度，并從振動(dòng)運(yùn)動(dòng)中平移90°。隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加，質(zhì)量的位移和從相應(yīng)電容獲得的信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。

應(yīng)該注意的是，陀螺儀可以放置在旋轉(zhuǎn)物體上的任何位置和任何角度，只要其感應(yīng)軸平行于旋轉(zhuǎn)軸即可。上述解釋旨在直觀地了解該功能，并通過陀螺儀的放置進(jìn)行了簡化。

電容式傳感

ADXRS陀螺儀通過連接到諧振器的電容式傳感元件測量諧振質(zhì)量及其框架因科里奧利效應(yīng)引起的位移，如圖4、5和圖6所示。這些元件是硅束，與連接到基板上的兩組固定硅束相互指射，從而形成兩個(gè)標(biāo)稱相等的電容器。由于角速率引起的位移在該系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生差分電容。如果總電容為C，光束間距為g，則差分電容為2 ΩvMC/gK，與角速率成正比。這種關(guān)系的保真度在實(shí)踐中非常好，非線性小于0.1%。

ADXRS陀螺儀電子器件可以分辨小至12×10的電容變化–21法拉（12 齊法）來自小至 0.00016 埃（16 飛米）的光束偏轉(zhuǎn)。在實(shí)際設(shè)備中可以利用的唯一方法是將電子設(shè)備（包括放大器和濾波器）與機(jī)械傳感器放在同一芯片上。差分信號(hào)在諧振器頻率處交替，可以通過相關(guān)從噪聲中提取。

圖5.框架和共振質(zhì)量體響應(yīng)科里奧利效應(yīng)橫向位移。位移由框架上的科里奧利感應(yīng)手指與連接到基板上的手指之間的電容變化決定。

這些亞原子位移作為光束表面的平均位置是有意義的，即使表面上的單個(gè)原子隨機(jī)移動(dòng)得更多。大約有10個(gè)12電容器表面上的原子，因此其各個(gè)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均將不確定性降低了 10 倍6.那么，為什么我們不能做得更好100倍呢？答案是，空氣分子的撞擊導(dǎo)致結(jié)構(gòu)移動(dòng)——盡管平均值相似，但它們的影響要大得多！那么為什么不去除空氣呢？該設(shè)備不是在真空中運(yùn)行的，因?yàn)樗且环N非常細(xì)的薄膜，僅重 4 微克;它的彎曲只有1.7微米寬，懸浮在硅襯底上?？諝饩彌_結(jié)構(gòu)，防止其被猛烈的沖擊破壞 - 即使是在榴彈炮發(fā)射制導(dǎo)炮彈時(shí)所經(jīng)歷的沖擊（如最近所示）。

圖6.機(jī)械傳感器的照片。ADXRS陀螺儀包括兩種結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)差分檢測，從而抑制環(huán)境沖擊和振動(dòng)。

特征

電子元件和機(jī)械元件的集成是ADXRS150和ADXRS300等產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，因?yàn)樗梢栽诮o定的性能水平下實(shí)現(xiàn)最小的尺寸和成本。圖7是ADXRS芯片的照片。

圖7.ADXRS陀螺儀芯片的照片，突出了機(jī)械速率傳感器和信號(hào)調(diào)理電子器件的集成。

ADXRS150和ADXRS300采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，可簡化用戶的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。陶瓷封裝是一個(gè) 32 引腳球形網(wǎng)格陣列 （BGA），尺寸為 7 mm 寬 x 7 mm 深 x 3 mm 高。它比具有類似性能的任何其他陀螺儀至少小 100 倍。除了體積小外，這些陀螺儀消耗30 mW，遠(yuǎn)低于類似的陀螺儀。小尺寸和低功耗的組合使這些產(chǎn)品非常適合消費(fèi)類應(yīng)用，如玩具機(jī)器人、踏板車和導(dǎo)航設(shè)備。

抗沖擊和振動(dòng)能力

陀螺儀用戶最關(guān)心的問題之一是設(shè)備能否可靠地提供準(zhǔn)確的角速率輸出信號(hào)，即使在存在環(huán)境沖擊和振動(dòng)的情況下也是如此。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是汽車側(cè)翻檢測，其中陀螺儀用于檢測汽車（或SUV）是否正在翻車。某些翻車事件是由與另一個(gè)物體（例如路緣石）的撞擊觸發(fā)的，從而導(dǎo)致車輛受到?jīng)_擊。如果沖擊使陀螺儀傳感器飽和，并且陀螺儀無法將其過濾掉，則安全氣囊可能無法展開。同樣，如果道路上的顛簸導(dǎo)致沖擊或振動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)信號(hào)，安全氣囊可能會(huì)在不需要時(shí)展開——這是一個(gè)相當(dāng)大的安全隱患！

如圖6和圖7所示，ADXRS陀螺儀采用一種新的角度速率檢測方法，可以抑制高達(dá)1，000g的沖擊——它們使用兩個(gè)諧振器來差分檢測信號(hào)，并抑制與角運(yùn)動(dòng)無關(guān)的共模外部加速度。這種方法是ADXRS陀螺儀對沖擊和振動(dòng)具有出色抗擾度的部分原因。圖6中的兩個(gè)諧振器在機(jī)械上是獨(dú)立的，并且它們以反相方式工作。因此，它們測量相同的旋轉(zhuǎn)幅度，但給出相反方向的輸出。因此，兩個(gè)傳感器信號(hào)之間的差異用于測量角速率。這樣可以消除影響兩個(gè)傳感器的非旋轉(zhuǎn)信號(hào)。信號(hào)在非常靈敏的前置放大器之前的內(nèi)部硬接線中組合。因此，極端加速度過載在很大程度上被阻止到達(dá)電子設(shè)備，從而允許信號(hào)調(diào)理在大沖擊期間保持角速率輸出。該方案要求兩個(gè)傳感器匹配良好，彼此精確制造的副本。

總結(jié)

ADI公司利用其iMEMS工藝實(shí)現(xiàn)了突破，開發(fā)出了世界上首款完全集成的角速率傳感器。集成帶來了可靠性、尺寸和價(jià)格的革命。其結(jié)果是陀螺儀適用于比以前認(rèn)為可能或負(fù)擔(dān)得起的更廣泛的應(yīng)用。該設(shè)備的低功耗和小尺寸將使使用電池運(yùn)行的小型消費(fèi)和工業(yè)產(chǎn)品受益，例如玩具，踏板車和便攜式儀器。對沖擊和振動(dòng)的巨大抗擾度有利于汽車和其他受到惡劣環(huán)境條件影響的應(yīng)用。

展望未來，可以利用iMEMS工藝和陀螺儀設(shè)計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高水平的集成。正如ADI公司開發(fā)雙軸加速度計(jì)一樣，也可以生產(chǎn)多軸陀螺儀。甚至可以在單個(gè)芯片上集成加速度計(jì)和陀螺儀。由此產(chǎn)生的慣性測量單元甚至可以使微型車輛能夠穩(wěn)定和自主導(dǎo)航。

附錄

二維運(yùn)動(dòng)

考慮位置坐標(biāo)，z = rεs，在復(fù)平面中。關(guān)于時(shí)間的微分，t，速度是

這兩個(gè)項(xiàng)分別是徑向分量和切向分量，后者由角速率產(chǎn)生。再次區(qū)分，加速度是

第一項(xiàng)是徑向線性加速度，第四項(xiàng)是由角加速度產(chǎn)生的切向分量。最后一項(xiàng)是約束 r 所需的熟悉的向心加速度。第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是切向的，是科里奧利加速度分量。它們分別由徑向速度的變化方向和切向速度的變化大小產(chǎn)生。如果角速率和徑向速度恒定，

然后

其中角分量，iεs，表示科里奧利加速度、2Ωv 和 –ε 的正 u 意義上的切向方向s表示朝向中心（即向心）表示Ω2r 組件。

審核編輯：郭婷