ST公司單軸MEMS偏航陀螺儀的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

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，而MEMS加速計(jì)則能測(cè)量線性加速度，因此這兩者是一對(duì)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(hù)提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶(hù)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(chǎng)的份額正在快速增長(zhǎng)，作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)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(hù)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(jiǎn)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(zhuān)用電路可以檢測(cè)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(duì)作用在傳感器上的無(wú)用線性加速度和雜亂振動(dòng)的敏感度低于市場(chǎng)上現(xiàn)有的其它類(lèi)型陀螺儀。當(dāng)這些無(wú)用的信號(hào)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(cè)量后，最終的電容變化將視為無(wú)效。

　　在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡(jiǎn)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(guò)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(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)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(hào)。

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

　　在控制電路內(nèi)部有先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，當(dāng)不需要傳感器功能時(shí)，可關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺儀的總功耗，當(dāng)需要檢測(cè)傳感器上施加的角速率時(shí)，在接到用戶(hù)的命令后，傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。

　　與ST的MEMS加速計(jì)類(lèi)似，MEMS陀螺儀也沿用一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)方法，機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個(gè)封裝內(nèi)。

　　智能設(shè)計(jì)方法結(jié)合先進(jìn)的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減，多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5 mm2 ，最大厚度僅為1mm (圖3)。

圖 3:采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀。

　　意法半導(dǎo)體為客戶(hù)提供多軸感應(yīng)、30dps到6000dps量程的各種陀螺儀傳感器，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠解決不同的應(yīng)用需求，從圖像穩(wěn)定器到游戲，從指向裝置到機(jī)器人控制。

　　除上述傳統(tǒng)應(yīng)用外，整合加速計(jì)和陀螺儀可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解決方案的慣性測(cè)量單元。換句話說(shuō)，平臺(tái)開(kāi)發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù)，將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)配合使用，能夠在衛(wèi)星信號(hào)很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒(méi)有信號(hào)的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導(dǎo)航服務(wù)。在不久的將來(lái)，準(zhǔn)確的方位信息與服務(wù)廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會(huì)整合在一起，并顯示在用戶(hù)的手機(jī)顯示屏幕上，這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會(huì)為手機(jī)用戶(hù)帶來(lái)好處，例如，手機(jī)用戶(hù)可以獲得位于某一個(gè)購(gòu)物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品的方位提示，接收根據(jù)用戶(hù)興趣訂制的商品特價(jià)和打折信息。

　　整合MEMS加速計(jì)和陀螺儀地磁的模塊正在進(jìn)入廉價(jià)的電子玩具市場(chǎng)，傳感器模塊提供的動(dòng)作感應(yīng)功能可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的游戲體驗(yàn)，還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂(lè)：孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物，用自然的動(dòng)作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤(pán)一類(lèi)的東西，甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。

　　結(jié)論：就像幾年前加速計(jì)的成功故事一樣，意法半導(dǎo)體最近掀起了MEMS陀螺儀消費(fèi)浪潮，為市場(chǎng)提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀，增強(qiáng)多種消費(fèi)電子產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶(hù)體驗(yàn)。憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計(jì)和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得的進(jìn)步，結(jié)合最先進(jìn)的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，意法半導(dǎo)體進(jìn)一步加強(qiáng)了其MEMS傳感器在消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。