詳解三軸陀螺儀的技術(shù)原理

　　在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)（precession），又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)（gyroscopic effect）。

　　陀螺儀的種類很多，按用途來(lái)分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

　　我們現(xiàn)在常接觸的便是電子式的陀螺儀，有壓電陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光纖陀螺儀，激光陀螺儀等，并且還可以和加速度計(jì)，磁阻芯片，GPS，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

　　MEMS陀螺儀基本技術(shù)原理

　　要想將陀螺儀技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)、MID、手柄、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)這樣的小型設(shè)備中，將傳統(tǒng)陀螺儀小型化是必然，為此，MEMS陀螺儀正全面走進(jìn)數(shù)碼設(shè)備、游戲設(shè)備。MEMS是什么呢？MEMS（Micro ElectroMechanical systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，其是一種可對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一整體單元的微型系統(tǒng)。

　　MEMS產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于。。。數(shù)碼相機(jī)（防抖防震器件，使用MEMS陀螺儀產(chǎn)品即便在持續(xù)震動(dòng)的環(huán)境中，也能準(zhǔn)確地進(jìn)行歸零的動(dòng)作）、筆記本電腦或MID、手機(jī)（如加速度計(jì)）、MP3/MP4、游戲機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中。陀螺儀利用這種技術(shù)，可在硅片上形成微米尺度的精密諧振結(jié)構(gòu)，用來(lái)感應(yīng)角速度的大小和方向。

　　與傳統(tǒng)的利用角動(dòng)量守恒原理的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀使用了不同的工作原理。傳統(tǒng)的陀螺儀是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，其轉(zhuǎn)軸的指向不隨承載它的支架旋轉(zhuǎn)而變化。要把這樣一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的沒(méi)有支撐的能旋轉(zhuǎn)的物體用微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出來(lái)，顯然難上加難。為此，MEMS陀螺儀在基于傳統(tǒng)陀螺儀特性的基礎(chǔ)上利用科里奧利力來(lái)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。什么是科里奧利力呢？科里奧利力（Coriolis force）也就時(shí)常說(shuō)的哥里奧利力、科氏力，它是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述，其來(lái)自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性，由于地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而作用于地球上運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的偏向力就是這樣的代表，地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

　　MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見(jiàn)應(yīng)用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力），旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對(duì)各種形式的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反映，通過(guò)記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的測(cè)量與控制。為了產(chǎn)生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化。”這樣，MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動(dòng)下就會(huì)不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來(lái)回變化的運(yùn)動(dòng)，并可在橫向作與驅(qū)動(dòng)力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計(jì)算出MEMS陀螺儀的角速度。

　　三軸角速度與旋轉(zhuǎn)速率成正比

　　以意法半導(dǎo)體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)（音叉機(jī)制的工作原理是通過(guò)安裝在音叉基座上的一對(duì)壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)，當(dāng)音叉開(kāi)關(guān)的音叉與被測(cè)介質(zhì)相接觸時(shí)，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開(kāi)關(guān)的這些變化由智能電路來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振，利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，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)。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化，從而實(shí)現(xiàn)操控功能。并且，由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機(jī)等便攜式設(shè)備就會(huì)由此獲得更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

　　MEMS陀螺儀技術(shù)發(fā)展方向

　　在蘋(píng)果公司的iPhone和任天堂公司的Wi i游戲機(jī)的推動(dòng)下，“運(yùn)動(dòng)傳感”概念深入人心，具備微型化智能化特征的MEMS陀螺儀正成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，正成為消費(fèi)類電子設(shè)備運(yùn)動(dòng)傳感的關(guān)鍵器件。著名市場(chǎng)研究顧問(wèn)機(jī)構(gòu)Yole Development最新預(yù)測(cè)，MEMS陀螺儀、加速度計(jì)和磁感應(yīng)器的銷售額在2013年將達(dá)到45億美元的規(guī)模。

　　先進(jìn)工藝是保障MEMS陀螺儀技術(shù)得以走向現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。MEMS加工除了使用大量傳統(tǒng)的IC工藝外，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕、雙面光刻等。通過(guò)在晶圓階段整合MEMS晶圓與相對(duì)應(yīng)的CMOS電子電路，目前產(chǎn)品已能將MEMS陀螺儀產(chǎn)品的封裝縮小到mm級(jí)，最大厚度也僅為1mm左右，同時(shí)還能提供更高的效能、更低的噪聲，與更低的半導(dǎo)體封裝成本。新一代MEMS陀螺儀已普遍具備體積小、功耗低、精度高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)

　　三軸MEMS陀螺儀結(jié)合三軸MEMS加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的所謂六軸產(chǎn)品。三軸陀螺儀可以同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置、移動(dòng)軌跡和加速度。

　　從MEMS陀螺儀的應(yīng)用方向來(lái)看，陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，可與MEMS加速度計(jì)（加速計(jì)）形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，如果組合使用加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，設(shè)計(jì)者就能更好地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(chǎng)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

　　為此，應(yīng)用這方面技術(shù)的前沿廠商InvenSense（應(yīng)美盛）公司的專家認(rèn)為：“要準(zhǔn)確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)者同時(shí)用到陀螺儀和加速度計(jì)。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)；單純使用加速度計(jì)的方案可用于有固定的重力參考坐標(biāo)系、存在線性或傾斜運(yùn)動(dòng)但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時(shí)處理直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就需要使用陀螺儀和加速度計(jì)的方案。”

　　此外，為讓設(shè)計(jì)和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機(jī)械噪聲，或?yàn)樾Ｕ铀俣扔?jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商會(huì)使用磁力計(jì)來(lái)完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能，以完成相應(yīng)定位，讓陀螺儀術(shù)業(yè)有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計(jì)或磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合的方案正成為MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。

　　InvenSense的營(yíng)銷總監(jiān)Doug Vargha亦為此表示：“若只使用傳統(tǒng)的加速度計(jì)，用戶得到的要么是反應(yīng)敏捷的但噪聲較大的輸出，要么是反應(yīng)慢但較純凈的輸出，而如將加速度計(jì)與陀螺儀相結(jié)合，就能得到既純凈又反應(yīng)敏捷的輸出。”

　　后記，MEMS陀螺儀大有可為

　　智能手機(jī)大廠HTC技術(shù)顧問(wèn)Jidesh Veeramachaneni對(duì)此表示：“MEMS陀螺儀技術(shù)已成為智能手機(jī)開(kāi)發(fā)者討論得最多的話題，預(yù)期在明年該技術(shù)將成為智能手機(jī)的標(biāo)配，用戶可以通過(guò)陀螺儀獲得包含游戲在內(nèi)的很多新的體驗(yàn)，例如你可用手機(jī)更方便地玩擊劍游戲。”為此，包含ST、InvenSense、Kionix、Bosch Sensortec、ADI、Freescale等在內(nèi)的廠商都紛紛投入這一市場(chǎng)，以期在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中獲得更多的發(fā)言權(quán)，這預(yù)示著未來(lái)的MEMS陀螺儀市場(chǎng)將變得更精彩，MEMS產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將白熱化，三軸陀螺儀成本全面跌破1美元指日可待。當(dāng)然，除了在硬件配置上獲得突破性應(yīng)用外，相關(guān)游戲或程序開(kāi)發(fā)廠商如何開(kāi)發(fā)出能充分體現(xiàn)出這種特性應(yīng)用的程序也是關(guān)鍵，這亦將直接決定標(biāo)配有該功能的產(chǎn)品在市場(chǎng)上的受歡迎程度。