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MEMS 陀螺仪的原理与应用优势分析 作者： Fabio Pasolini 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 2 3x5 mm ，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 用必威体育精装版的 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