消费电子中的陀螺仪

消费电子中的陀螺仪浅谈一、前言在2010年以前，当iPhone4还没有推出的时候，可能很多人都不知道有“陀螺仪”这个东西。的确如此，在此之前，陀螺仪的身影主要出现在航空、航海、航天和国防工业中，它是一种惯性导航仪器，能够精确地确定运动物体的方位。由于技术和成本制约，消费电子中一直没有机会（或许也未曾奢想过）使用这个神秘的仪器——套用咱们课程的术语来讲，叫传感器。改变发生在2010年。当iPhone4中置入三轴陀螺仪后，虽然看起来并不那么起眼，但却实实在在地带来了变化。自此，消费电子也有了像大型舰船一样的“感应”，能够知道自己“处在什么样的位置”，变得更加智能起来。本文通过检索整理国内外的相关文献，简述了陀螺仪的原理及发展过程，并详细介绍了消费电子中的MEMS陀螺仪以及应用前景。二、陀螺仪的原理陀螺仪的基本原理是，一个旋转物体在不受外力影响时，其旋转轴的指向总是保持不变。传统的机械转子式陀螺仪，其结构主要包括四个部分：转子（Rotor），旋转轴（Spinaxis），内环架（Gimbal）及外环架（Frame）。转子对旋转轴以极高角速度进行旋转；内环架固定于旋转轴上，外环架固定于内环架的轴线上。从下图可以看出，转子可以绕x，y，z三个轴向进行旋转。三、光学陀螺仪由于机械式陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。从上个世纪六七十年代开始，利用塞格尼克（Sagnac）效应研制而成光学陀螺仪开始逐渐应用于美国军方飞机和导弹制导，并于本世纪初扩展到民用飞机及机器人等领域。塞格尼克（Sagnac）效应是指：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。根据这个原理，在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。光学陀螺仪包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪两大类。1.激光陀螺仪：激光陀螺仪的光环路实际上是一种光学振荡器，按光腔形状分有三角形陀螺和正方形陀螺，腔体结构有组件式和整体式两种，一般三角型激光陀螺用的最多。典型的激光陀螺的结构是这样的：它的底座是一块低膨胀系数的三角形陶瓷玻璃，在其上加工出等边三角形的光腔，陀螺仪就由这样闭合的三角形光腔组成，三角形的边长安装在每个角上的输出反射镜，控制反射镜和偏量反射镜限定，在三角形的一条边上安装充以低压氦氖混合气体的等离子管。2.光纤陀螺仪光纤陀螺仪是稍后于激光陀螺而发展起来的另一种光学陀螺仪。它以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变，决定了敏感元件的角位移。目前它还赶不上激光陀螺的性能。但由于光纤技术在现代通讯技术方面的特殊作用，与其相关的技术如保偏光纤、超辐射激光二极管光源、耦合器、偏振器和集成光学等在低成本、小型化、适合批生产方面取得了快速的发展，因而这种陀螺的发展有超过激光陀螺的势头。在航天领域特别是战术导弹制导上会有良好的应用前景光纤陀螺仪的分类方式有多种。依照工作原理可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类。其中，干涉型光纤陀螺仪是第一代光纤陀螺仪，它采用多匝光纤线圈来增强塞格尼克效应，目前应用最为广泛；按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪，一般来说闭环光纤陀螺仪由于采取了闭环控制因而拥有更高的精度；按结构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪，其中三轴光纤陀螺仪由于体积小、可测量空间位姿因而是光纤陀螺仪的一个重要发展方向。四、微机电（MEMS）陀螺仪在光学陀螺仪蓬勃发展的同时，现代集成式的振动陀螺仪——微机电陀螺仪也渐渐开始崭露头角。至此，我们的主角——微机电陀螺仪——终于登场了。微机电系统(MEMS)是20世纪80年代后期才发展起来的一种新型惯性系统，它由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成，具有显著的尺寸小、质量轻、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强，以及易批量生产等优点。一个基本的MEMS设备由专用集成电路和微机械硅传感器组成。它的主要工作原理是：质量块(敏感元件)在激励模态下振动，沿垂直于振动方向的对称轴施加角速度，在科里奥利力的作用下，质量块将在三维空间的另一方向上以敏感模块同频率振动，幅度与角速度大小成正比，相位与角速度方向有关。从敏感模态的振动可以知道角速度。最初的MEMS有四种不同的激励与检测方式和结构型式。静电激励、电容检测方式，电磁激励、电容检测方式，压电激励、电容检测方式和电磁激励、压敏电桥检测方式。在静电激励、电容检测方式下，质量块的振动有角振动式和线振动式两种。目前，应用较为普遍的是音叉式线振动结构。它最初由德雷伯试验室于1993年5月研制成功。这个音叉式线振动惯性仪采用单晶硅梳状结构产生静电力驱动音叉。整个惯性仪采用双层结构。两个质量片通过8根挠性梁联结成一个整体，三个支撑点将这个整体支撑起来，与下面的玻璃基片间保持一定的间隙，两个质量片与其下面基片上的两个电极各形成一只电容。其工作原理为:当音叉在平面内以音叉模态(两质量片速度方向相反)振动时，如果基片在振动平面内沿垂直于振动速度的方向有惯性角速度Ω出现，在哥氏力的作用下，音叉的一个质量片向上运动。另一个质量片向下运动。两质量片与下方的电极形成一对差分电容，电容的变化量与角速率的大小成正比。这种差分运动产生增强的陀螺信号，同时不敏感线加速度。折叠式悬臂架保证音叉(反平行)模态激励，而平移模态衰减。音叉模态的特征频率高于平移模态的特征频率。特征频率使得音叉模态即使在质量和弹簧失配的条件下，也容易得到激励。音叉的谐振频率随温度、时间、应力或压力偏移，但音叉工作在自激振荡回路中，这就保证了不管环境干扰如何，惯性仪始终工作在谐振状态，从而限制了外部频率源。与光学陀螺仪相比，基于MEMS技术的陀螺仪具有更高的集成度，更小的体积，并且因其成本低、适于批量生产，目前已经能够广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等低成本需求应用中，是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。五、消费电子上的微机电陀螺仪将陀螺仪引入消费电子产品的头号功臣——iPhone4中使用的是由意法半导体公司提供的AGD12022FP6AQ微机电陀螺仪。下图是AGD12022FP6AQ芯片的显微照片。该陀螺仪由一组金属片组成，其工作原理是：当驱动信号加载于驱动电容片时，导致其产生振动（振荡）。当我们旋转手机时，在科里奥利力的作用下，金属片在X，Y及Z轴产生偏移。从而产生微小的电容信号。电容信号再经芯片转换成手机可以接收的数字信号后，即可用于视频游戏中的方向盘转动或枪眼瞄准等操作。下图是意法半导体公司生产的另一款LYPR540AH三轴陀螺仪。通过照片，可以看出该陀螺仪不可思议的精妙结构。其生产方法是通过掩膜加工的方式，在蚀刻后保持无遮罩区域的形状，最后再腐蚀掉多余的膜，完成最终产品。进一步放大之后，可以看到振荡器的详细结构。如下图。图中栅状结构的每片厚度大约仅为头发平均直径的四分之一，或三个红细胞并列的长度。下图展示的是SI8002AC陀螺仪。从图可以看出，专用集成电路（用于转换振荡器的原始信号）堆叠在振荡器上方，两者用导线连接，从而传输信号。堆叠式芯片使得制造商在同一封装内加入更多的功能。这对便携式移动设备来说尤其重要，因为电路板空间是十分有限的。六、陀螺仪在消费电子中的应用前景陀螺仪在消费电子中有很大的应用前景。如输入方式，在键盘、鼠标、触摸屏之后，陀螺仪又给我们带来了手势输入，由于它的高精度，甚至还可以实现电子签名；还比如让智能手机变得更智慧：除了移动上网、快速处理数据外，还能“察言观色”，知道主人在哪里，兴趣是什么，并提供相应的服务。1.游戏可通过陀螺仪实现高速游戏，如高尔夫、羽毛球和斗剑等。这些游戏要侦测到很快速的挥动，这对目前的加速度传感器来说，是很大的挑战。例如高尔夫运动，当球杆挥动时，杆头甚至可以在0.2s内达到180km/s的速度，这相当于瞬间的加速度达到11个重力加速度。现在面向消费电子类的加速度传感器测量范围达不到这么大。如果利用陀螺仪则可以精确地侦测到这个快速挥动，挥杆时杆头角速度约为1.800°/s，相当于1s挥5~6圈，这在陀螺仪角速度侦测范围内，因此可以很好地模拟出这个游戏的真实场景。另一种如射击类游戏要求设备保持不动，然后做很细微的调整后进行射击。这种游戏要求高精度和低干扰，现有的加速度传感器不能达到该要求。如果假设射击游戏的误差角度为±5°，换算给加速度传感器后，cos5°相当于3~4‰的重力加速度，现有的加速度传感器精度达不到这个量级，没法瞄准射击。陀螺仪可以侦测到很细微的手的抖动，干扰也很低，拿着10s不动时偏移才0.05°左右，很适合用于这种瞄准的游戏。2.人机界面在人机界面领域，陀螺仪也可以进行很好的创新。早在两三年前，罗技就在其鼠标上添加陀螺仪和加速度传感器实现指示器(激光笔)的功能。现在，通过陀螺仪，可以在消费电子产品上实现手势的输入，比如在空中写字，或者通过晃动、振荡等方式实现手势对设备功能的控制。陀螺仪对角速度的侦查很精准，甚至还可以实现识别签名等生物特征，因此可以用手势签信用卡、支票，实现ECash的应用。“手势控制的另一个好处是可以为消费电子省电。当你依靠手势进行某些功能的控制时，不需要开启屏幕背光。例如打电话给A，握着手机在空中写一个“A”，手机就自动拨号给爸爸，而不需点亮屏幕进行拨号，这种方式可以大大节省屏幕背光的耗电量。3.定位功能利用陀螺仪可以对GPS和电子罗盘进行补充。例如在隧道或停车场等地，GPS会丢失信号，这时陀螺仪可以根据车子运动的方向和速度，辅助盲区导航；在立交桥等立体道路上，GPS无法识别汽车在哪一层，陀螺仪则可以通过侦测到汽车上坡的动作，根据速度推算汽车到了第几层。盲区导航功能如果用加速度传感器来实现，需要先去除重力加速度，测得线性加速度，再根据车速推算车的行径轨迹，运算起来比较复杂；而如果用电子罗盘来实现盲区导航时，则容易出现漂移，需要对导航仪画“8”字形进行校正，从而识别和去掉杂磁。这个校正的动作对司机来说很不方便，但如果配合陀螺仪使用，则可以在很小的位移范围内快速实现电子罗盘的校正。除了汽车导航外，还可以通过陀螺仪实现行人盲区导航。不过林尚宏指出，行人的盲区导航比车子的盲区导航更难，因为车子的运行相对简单，而行人将设备放在不同位置时测得的数据相差很大，例如放腰部和放腿部检测到的信号跳动不一样，需要传感器滤波。实现行人的盲区导航是一项浩大的工程，目前还正在探讨过程中。4.影像防手震目前有两种实现方式，一是EIS(电子防手震)，另一种是OIS(光学防手震)。陀螺仪目前已经被广泛使用在了EIS上，通过两轴陀螺仪检测到手震动，快速实现几次重复拍照，然后把手震动前后拍下的照片中影像重复的地方切下来。如果配合电子罗盘使用，还可以做到绝对位置的修正。“用陀螺仪实现防手震有很多好处，比如精确，使得图片叠加的质量更好；陀螺仪检测到的是摄像头本身的震动，可以与物体的震动区分开来，避免误操作；同时还可以与其他传感器做配合等。影像防抖动的功能即将被应用到手机中去。陀螺仪应用在游戏机中时，只需要6%的精度就够用，而手机需要的精度高很多。Invensense现在有1%精度的产品供手机使用，在2011年上半年，就将有实现了影像防抖动技术的手机