單軸MEMS偏航陀螺儀結構應用分析

陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，而MEMS加速計則能測量線性加速度，因此這兩者是一對理想的互補技術。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。

　　ST在EMES市場的份額正在快速增長，作為全球公認的消費電子和手機市場最大的MEMS傳感器供應商，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研制的微機械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術，ST利用這項技術已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器， 選擇成功的技術可為客戶提供最先進的質量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應用。

　　ST陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元，按照一個音叉機制運轉，利用Coriolis原理把角速率轉換成一個特定感應結構的位移。

　　我們以一個單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個正在運動的質點向相反方向做連續(xù)運動，如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會產(chǎn)生一個與質點運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質點發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應部分的運動電極(轉子)位于固定電極(定子)的側邊，上面的位移將會在定子和轉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化成一個專用電路可以檢測的電參數(shù)。

　　圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀。

　　因為ST選用了音叉方法設計陀螺儀，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。當這些無用的信號被施加到陀螺儀，兩個質點就會沿相同方向位移，在一個差分測量后，最終的電容變化將視為無效。

　　在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調節(jié)電路可簡化為電機驅動部分和加速傳感器感應電路兩部分(圖2):

　　·電機驅動部分通過靜電激勵方法，使驅動電路前后振蕩，為機械元件提供勵磁;

　　·感應部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應質點上產(chǎn)生的位移，這是一個穩(wěn)健、可靠的技術，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強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。

　　圖 2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結構簡圖。