MEMS陀螺仪的原理与应用优势分析

MEMS陀螺仪的原理与应用优势分析作者：FabioPasolini意法半导体消费电子设备早在几年前就开始使用MEMS加速计。从游戏机到手机，从笔记本电脑到白色家电，运动控制式用户界面和增强的保护系统给所有的消费电子产品带来很多好处。现在轮到MEMS陀螺仪大显神威了，消费电子集成MEMS陀螺仪的浪潮刚刚掀起。陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，而MEMS加速计则能测量线性加速度，因此这两者是一对理想的互补技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。ST在EMES市场的份额正在快速增长，作为全球公认的消费电子和手机市场最大的MEMS传感器供应商，ST最近推出了30款以低功耗和小封装为特色的高性能陀螺仪。ST研制的微机械陀螺仪传感器沿用了ST成功的制造技术，ST利用这项技术已经制造了6亿多颗加速传感器，选择成功的技术可为客户提供最先进的质量可靠的产品，而且可直接用于最终应用。ST陀螺仪的核心元件是一个微加工机械单元，按照一个音叉机制运转，利用Coriolis原理把角速率转换成一个特定感应结构的位移。我们以一个单轴偏航陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理（图1）。两个正在运动的质点向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率，就会产生一个与质点运动方向垂直的科里奥利力，如图中黄色箭头所示。产生的科里奥利力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为传感器感应部分的运动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参数。图1:单轴MEMS偏航陀螺仪因为ST选用了音叉方法设计陀螺仪，其差分特性使系统本身对作用在传感器上的无用线性加速度和杂乱振动的敏感度低于市场上现有的其它类型陀螺仪。当这些无用的信号被施加到陀螺仪，两个质点就会沿相同方向位移，在一个差分测量后，最终的电容变化将视为无效。在系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分(图2):-电机驱动部分通过静电激励方法，使驱动电路前后振荡，为机械元件提供励磁；-感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线，能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。图2:一个单轴偏航MEMS陀螺仪的结构简图在控制电路内部有先进的电源关断功能，当不需要传感器功能时，可关闭整个传感器，或让其进入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺仪的总功耗，当需要检测传感器上施加的角速率时，在接到用户的命令后，传感器可从睡眠模式中立即唤醒。与ST的MEMS加速计类似，MEMS陀螺仪也沿用一个系统级封装(SIP)方法，机械感应元器件与其调节ASIC电路放在同一个封装内。智能设计方法结合先进的封装解决方案使得该系列产品的封装尺寸大幅缩减，多轴陀螺仪的系统封装面积仅为3x5mm2，最大厚度仅为1mm(图3)。图3:采用超小LGA封装的多轴陀螺仪意法半导体为客户提供多轴感应、30dps到6000dps量程的各种陀螺仪传感器，让系统设计工程师能够解决不同的应用需求，从图像稳定器到游戏，从指向装置到机器人控制。除上述传统应用外，整合加速计和陀螺仪可以实现导航解决方案的惯性测量单元。换句话说，平台开发商可利用最新的MEMS技术，将惯性传感器与较传统的GPS系统配合使用，能够在卫星信号很弱的高楼林立的市区或根本没有信号的室内或地铁环境中提供导航服务。在不久的将来，准确的方位信息与服务厂商提供的附加中间数据将会整合在一起，并显示在用户的手机显示屏幕上，这种定位关联服务将会为手机用户带来好处，例如，手机用户可以获得位于某一个购物中心内的所有商铺的准确信息，找到想要购买的产品的方位提示，接收根据用户兴趣订制的商品特价和打折信息。整合MEMS加速计和陀螺仪地磁的模块正在进入廉价的电子玩具市场，传感器模块提供的动作感应功能可实现互动的游戏体验，还能让更小的儿童上网分享快乐：孩子们很快就能够创造自己的虚拟娃娃和人物，用自然的动作玩这些玩具，不再使用按钮或键盘一类的东西，甚至可以在网上与全球的小朋友一起分享游戏。结论：就像几年前加速计的成功故事一样，意法半导体最近掀起了MEMS陀螺仪消费浪潮，为市场提供一系列可靠的低廉的微型陀螺仪，增强多种消费电子产品运动跟踪功能，实现现场感更强的用户体验。凭借在MEMS技术、ASIC设计和更智能的封装技术上不断取得的进步，结合最先进的生产线和战略合作伙伴关系，意法半导体进一步加强了其MEMS传感器在消费电子和手机市场的领导地位。