單軸MEMS偏航陀螺儀結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析

陀螺儀能夠測量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)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)。

　　圖 1:單軸MEMS偏航陀螺儀。

　　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(dòng)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(huì)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(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2):

　　·電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過靜電激勵(lì)方法，使驅(qū)動(dòng)電路前后振蕩，為機(jī)械元件提供勵(lì)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。

　　圖 2:一個(gè)單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖。