MEMS陀螺儀將大顯神威

　　消費(fèi)電子設(shè)備早在幾年前就開始使用MEMS加速計(jì)。

　　從游戲機(jī)到手機(jī)，從筆記本電腦到白色家電，運(yùn)動控制式用戶界面和增強(qiáng)的保護(hù)系統(tǒng)給所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品帶來很多好處。

　　現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了，消費(fèi)電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。

　　陀螺儀能夠測量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動的角速度，而MEMS加速計(jì)則能測量線性加速度，因此這兩者是一對理想的互補(bǔ)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，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

　　ST在EMES市場的份額正在快速增長，作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場最大的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)，ST利用這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器, 選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進(jìn)的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應(yīng)用。

　　ST陀螺儀的核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)，利用Coriolis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，探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個(gè)正在運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會產(chǎn)生一個(gè)與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向垂直的科里奧利力，如圖中黃色箭頭所示。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)動電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(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)專用電路可以檢測的電參數(shù)。

　　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)本身對作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低于市場上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號被施加到陀螺儀，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會沿相同方向位移，在一個(gè)差分測量后，最終的電容變化將視為無效。

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

　　- 電機(jī)驅(qū)動部分通過靜電激勵方法，使驅(qū)動電路前后振蕩，為機(jī)械元件提供勵磁;

　　- 感應(yīng)部分通過測量電容變化來測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。