MEMS陀螺儀在惡劣高溫環(huán)境下提供準(zhǔn)確的慣性檢測

摘要

越來越多的應(yīng)用需要從處于高溫環(huán)境中的傳感器收集數(shù)據(jù)。近年來，半導(dǎo)體、無源器件和互連領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，使得高精度數(shù)據(jù)采集和處理成為可能。但是，人們需要能夠在175°C高溫條件下運(yùn)行的傳感器，尤其是采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)提供的易于使用的傳感器，這一需求尚未得到滿足。相比同等的分立式傳感器，MEMS通常更小巧，功耗和成本都更低。此外，它們還可以在同樣大小的半導(dǎo)體封裝內(nèi)集成信號(hào)調(diào)理電路。

目前已發(fā)布高溫MEMS加速度計(jì)ADXL206，它可以提供高精度傾斜（傾角）測量。但是，還需要更加靈活和自由，以準(zhǔn)確測量系統(tǒng)在嚴(yán)苛環(huán)境應(yīng)用下的移動(dòng)，在這些環(huán)境下，最終產(chǎn)品可能遭受沖擊、振動(dòng)和劇烈移動(dòng)。這種類型的濫用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過度磨損和提前出現(xiàn)故障，由此產(chǎn)生高額的維護(hù)或停機(jī)成本。

為了滿足這一需求，ADI公司新開發(fā)了一款集成信號(hào)調(diào)理功能的高溫MEMS陀螺儀，即ADXRS645。此傳感器即使在沖擊和振動(dòng)環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的角速率（轉(zhuǎn)速）測量，且額定工作溫度高達(dá)175°C。

工作原理

MEMS陀螺儀利用科氏加速度來測量角速率。關(guān)于科氏效應(yīng)的解釋，從圖1開始。設(shè)想自己站在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，站在靠近中心的位置。您相對于地面的速度以藍(lán)色箭頭的長度來顯示。如果您移動(dòng)到靠近平臺(tái)外緣的位置，您相對于地面的速度會(huì)加快，具體由更長的藍(lán)色箭頭表示。由徑向速度引起的切向速度的增長率，就是科氏加速度。

如果Ω表示角速率，r表示半徑，切向速度即為Ωr。所以，如果在速度為v時(shí)，r改變，則會(huì)產(chǎn)生切向加速度Ωv。其值是科氏加速度的一半。另一半來自徑向速度方向的改變，總共為2Ωv。如果您施加質(zhì)量體(M)，那么平臺(tái)必須施加力—2MΩv—來產(chǎn)生這種加速度，那么質(zhì)量體也會(huì)經(jīng)受對應(yīng)的反作用力。ADXRS645通過使用與人在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上向中心和向外緣移動(dòng)時(shí)對應(yīng)的諧振質(zhì)量體來利用這種效應(yīng)。質(zhì)量體是采用多晶硅，通過微機(jī)械加工而成，并粘接在多晶硅框架上，所以它只能沿一個(gè)方向諧振。

圖1 科氏加速度示例。人員向北移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的外緣時(shí)，必須增大向西的速度分量（藍(lán)色箭頭），以保持向北移動(dòng)的路線。所需的加速度就是科氏加速度

圖2 科氏效應(yīng)演示：響應(yīng)懸掛在框架內(nèi)的硅質(zhì)量體的諧振。綠色箭頭表示結(jié)構(gòu)受到的力（基于諧振質(zhì)量體的狀態(tài)）

圖2顯示，當(dāng)諧振質(zhì)量體向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的外緣移動(dòng)時(shí)，它向右加速，并向左對框架施加一個(gè)反作用力。當(dāng)它向旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)，它向右施加一個(gè)力，如綠色箭頭所示。

為了測量科氏加速度，我們使用與諧振運(yùn)動(dòng)方向呈90°的彈簧，將包含諧振質(zhì)量體的框架連接到襯底上，具體如圖3所示。此圖還顯示了科氏檢測指針，它通過電容轉(zhuǎn)導(dǎo)，在受到施加給質(zhì)量體的力影響時(shí)檢測框架的位移。

圖3 該陀螺儀的機(jī)械架構(gòu)原理圖

圖4顯示完整的結(jié)構(gòu)，從中可以看出，當(dāng)諧振質(zhì)量體移動(dòng)，陀螺儀所在的安裝平面旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量體和其框架會(huì)受到科氏加速度影響，并因?yàn)檎駝?dòng)旋轉(zhuǎn)90°。隨著轉(zhuǎn)速加快，質(zhì)量體的位置和從對應(yīng)的電容獲取的信號(hào)發(fā)生改變。需要注意的是，陀螺儀可以按任意角度放置在旋轉(zhuǎn)物體的任意位置，只要它的檢測軸與旋轉(zhuǎn)軸平行即可。

圖4 框架和諧振質(zhì)量體受科氏效應(yīng)影響，產(chǎn)生橫向位移

電容檢測

ADXRS645通過附加在諧振器上的電容傳感元件來測量諧振質(zhì)量體和框架因科氏效應(yīng)產(chǎn)生的位移，具體如圖4所示。這些元件都是硅棒，與襯底上連接的兩組固定硅棒交錯(cuò)，形成兩個(gè)名義上相等的電容。角速率引起的位移會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生差分電容。

在實(shí)際應(yīng)用中，科氏加速度是一個(gè)極小的信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致幾分之一埃的射束偏轉(zhuǎn)，以及仄法級(jí)別的電容變化（譯者注：1仄法=1e-21法拉）。因此，最大限度降低對寄生源（例如溫度、封裝應(yīng)力、外部加速度和電噪聲）的相互干擾是極為重要的。這種作用一部分是通過將電子器件（包括放大器和濾波器）和機(jī)械傳感器放置在同一裸片上來實(shí)現(xiàn)的。但是，更重要的是在信號(hào)鏈中距離盡可能遠(yuǎn)的位置實(shí)施差分測量，并將信號(hào)與諧振器速度關(guān)聯(lián)起來，尤其是在處理外部加速度產(chǎn)生的影響時(shí)。

振動(dòng)抑制

理想情況下，陀螺儀只對轉(zhuǎn)速敏感，對其他東西都不敏感。在實(shí)際應(yīng)用中，由于陀螺儀的機(jī)械設(shè)計(jì)不對稱，且/或微加工精度不夠，所有陀螺儀都對加速度有一定的敏感性。事實(shí)上，加速度靈敏度有多種表現(xiàn)形式——其嚴(yán)重程度因設(shè)計(jì)而異。最為嚴(yán)重的通常要屬對線性加速度的靈敏度（或g靈敏度）和振動(dòng)整流的靈敏度（或g2靈敏度），嚴(yán)重到足以完全抵消該器件的額定偏置穩(wěn)定性。當(dāng)速率輸入量超過額定測量范圍時(shí)，有些陀螺儀軌與軌之間的輸出會(huì)存在差異。其他陀螺儀在受到低至幾百g的沖擊時(shí)，會(huì)傾向于鎖死。這些陀螺儀不會(huì)受到?jīng)_擊損壞，但是也無法再對速率做出響應(yīng)，需要進(jìn)行重啟。

ADXRS645采用了一種新穎的角速率檢測方法，使其能夠抑制高達(dá)1000 g的沖擊。它使用四個(gè)諧振器對信號(hào)實(shí)施差分檢測，并抑制與角移動(dòng)無關(guān)的共模外部加速度。圖5頂部和底部的諧振器彼此獨(dú)立，并且是反相操作的。所以，它們測量的旋轉(zhuǎn)幅度相同，但輸出方向相反。因此，利用傳感器信號(hào)之間的差值來測量角速率。如此可以消除對兩個(gè)傳感器造成影響的非旋轉(zhuǎn)信號(hào)。信號(hào)在前置放大器前面的內(nèi)部硬連線中組合。因此，會(huì)在很大程度上防止極端加速過載到達(dá)電子器件，從而使得信號(hào)調(diào)理能在受到大型沖擊時(shí)保持角速率輸出。

圖5 四通道差分傳感器設(shè)計(jì)

傳感器安裝

圖6所示為陀螺儀、相關(guān)的驅(qū)動(dòng)和檢測電路的簡化原理圖。

圖6 集成式陀螺儀的框圖

諧振器電路檢測諧振質(zhì)量體的速度，進(jìn)行放大，并驅(qū)動(dòng)諧振器，同時(shí)相對于科氏信號(hào)路徑保持一個(gè)控制良好的相位（或延遲）?？剖想娐繁挥糜跈z測加速度計(jì)框架的移動(dòng)，利用下游信號(hào)處理來提取科氏加速度的幅度，并生成與輸入轉(zhuǎn)速一致的輸出信號(hào)。此外，自檢功能會(huì)檢查整個(gè)信號(hào)鏈（包括傳感器）的完整性。

應(yīng)用示例

對于電子設(shè)備來說，最嚴(yán)苛的使用環(huán)境莫過于石油和天然氣的井下鉆井行業(yè)。這些系統(tǒng)利用大量傳感器來更好地了解鉆柱在地表下的運(yùn)行狀況，以優(yōu)化操作并防止造成損壞。鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速以RPM為單位測量，是鉆機(jī)操作員時(shí)刻需要掌握的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。以前，這個(gè)指標(biāo)由磁力計(jì)計(jì)算得出。但是，磁力計(jì)容易受到鉆機(jī)套管和周圍井眼中的鐵質(zhì)材料影響。它們還必須采用特殊的無磁性鉆環(huán)（外殼）。

除了簡單的RPM測量之外，人們越來越熱衷于了解鉆柱的移動(dòng)（或鉆柱動(dòng)態(tài)），以更好地管理施加的力的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等參數(shù)。鉆柱動(dòng)態(tài)如果管理不善，可能導(dǎo)致鉆柱高度振動(dòng)和出現(xiàn)極不穩(wěn)定的移動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域的鉆井時(shí)間延長、設(shè)備過早故障、鉆頭轉(zhuǎn)向困難，且會(huì)對鉆井本身造成損壞。在極端情況下，設(shè)備可能斷裂并殘留在鉆井中，之后需要支付極高的成本才能取回。

因鉆柱參數(shù)管理不善會(huì)導(dǎo)致一種特別有害的移動(dòng)，即粘滑。粘滑是指鉆頭卡住，但鉆柱頂部繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。鉆頭被卡住后，鉆柱底部持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)收緊，直到達(dá)到足夠扭矩，造成斷裂和松脫，這種斷裂通常非常劇烈。發(fā)生這種情況時(shí)，鉆頭上會(huì)出現(xiàn)按轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的大尖峰。粘滑一般周期性發(fā)生，可以持續(xù)很長一段時(shí)間。對粘滑的典型RPM響應(yīng)如圖7所示。由于地表的鉆柱繼續(xù)正常運(yùn)行，鉆機(jī)操作員通常無法意識(shí)到，井下正在發(fā)生這種非常具有破壞性的現(xiàn)象。

圖7 粘滑循環(huán)RPM剖面圖示例

在這種應(yīng)用中，一個(gè)關(guān)鍵的測量方法是準(zhǔn)確、頻繁地測量鉆頭附近的轉(zhuǎn)速。陀螺儀（例如具有振動(dòng)抑制效果的ADXRS645）非常適合執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)，因?yàn)槠錅y量不受鉆柱的線性移動(dòng)影響。在出現(xiàn)高度振動(dòng)和不穩(wěn)定移動(dòng)時(shí)，磁力儀計(jì)算得出的轉(zhuǎn)速易受噪聲和誤差影響?；谕勇輧x的解決方案能夠即時(shí)測量得出轉(zhuǎn)速，且不使用易受沖擊和振動(dòng)影響的過零或其他算法。

此外，相比磁通磁力計(jì)解決方案，基于陀螺儀的電路體積更小，需要的元器件數(shù)量更少，而前者需要多個(gè)磁力計(jì)軸和額外的驅(qū)動(dòng)電路。ADXRS645中集成了信號(hào)調(diào)理功能。此器件采用低功耗、低引腳數(shù)封裝，支持高溫IC對陀螺儀模擬輸出采樣并將其數(shù)字化。采用圖8中所示的簡化信號(hào)鏈，可以實(shí)現(xiàn)提供數(shù)字輸出、額定溫度為175°C的陀螺儀電路。

圖8 額定溫度為175°C的陀螺儀數(shù)字輸出信號(hào)鏈

總結(jié)

本文介紹了首款可在175°C高溫環(huán)境下使用的MEMS陀螺儀——ADXRS645。此傳感器能在惡劣的環(huán)境應(yīng)用中準(zhǔn)確測量角速率，防止沖擊和振動(dòng)造成影響。此陀螺儀由一系列高溫IC提供支持，以獲取信號(hào)并進(jìn)行處理。

作者簡介

Jeff Watson是ADI公司儀器儀表、航空航天與國防事業(yè)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，致力于高溫應(yīng)用。加入ADI公司之前，他是地下石油和天然氣儀器儀表行業(yè)以及非公路用車儀器儀表/控制行業(yè)的一名設(shè)計(jì)工程師。他擁有賓州州立大學(xué)的電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位。