單軸偏航MEMS陀螺儀的結構及原理

事實上，MEMS傳感器是消費電子實現創新應用不可或缺的關鍵元器件。近年來，從游戲機到手機，從筆記本電腦到白色家電，很多消費電子產品利用低g加速計，實現了運動控制的用戶界面和增強型保護系統?，F在該輪到MEMS陀螺儀和地磁感應計發揮作用，推動新一波令人興奮的創新應用高速增長。

有關能夠測量線性加速度的MEMS加速計的技術文章已經很多，因此，本文基本上不涉及加速傳感器，把更多的筆墨留給陀螺儀、地磁感應計等具有多個自由度檢測功能的元器件。

MEMS陀螺儀

陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，是補充MEMS加速計功能的理想技術。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，為最終用戶提供現場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統以及其它功能。

ST在MEMS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陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元，在設計上按照一個音叉機制運轉，利用科里奧利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運動，如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會出現一個科里奧利力，力的方向垂直于質點運動方向，如黃色箭頭所示。產生的科里奧利力使感應質點發生位移，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。

圖 1：單軸MEMS偏航陀螺儀

ST研制的微機械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術，這項技術已為ST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品，而且可直接用于最終應用。因為ST選用了音叉方法設計陀螺儀，其差分特性使系統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有的其它類型陀螺儀。當這些無用的信號被施加到陀螺儀上時，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。

在系統方面，陀螺儀的信號調節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生的位移，這是一個穩健、可靠的技術，被成功地用于ST的MEMS產品線，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字信號。

圖 2：一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結構簡圖

在控制電路內部有先進的電源關斷功能，當不需要傳感器功能時，可關閉整個傳感器，或讓其進入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺儀的總功耗，當需要檢測傳感器上施加的角速率時，在接到用戶的命令后，傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。

與ST的MEMS加速計類似，MEMS陀螺儀也沿用一個系統級封裝（SIP）方法，機械感應元器件與其調節ASIC電路放在同一個封裝內。

智能設計方法結合先進的封裝解決方案使得該系列產品的封裝尺寸大幅縮減，多軸陀螺儀的系統封裝面積僅為3x5 mm2 ，最大厚度僅為1mm （圖3），同時在最終產品的生命周期內確保傳感器的穩定性和高性能。

圖 3：采用超小LGA封裝的ST多軸陀螺儀

意法半導體為客戶提供1軸-3軸、30dps-6000dps的各種陀螺儀傳感器，讓系統設計工程師能夠解決不同的應用：從圖像穩定器到游戲，從指向裝置到機器人控制。

特別是，像ST的3軸加速度傳感器一樣，高性能3軸陀螺儀的問市正在促進手機、游戲機等設備實現先進的人機界面。

不僅有運動傳感器，還有…

全新的地磁感應計正在融入消費電子產品。

磁感應計能夠測量多個軸向的地球磁場強度，讓便攜設備實現更強的羅盤和導航功能。

類似于運動傳感器，消費電子產品和手機也是增長最快的磁感應計市場，2009年磁感應計市場增幅逾100%。據iSuppli最新的市場研究報告，這個市場增長非?？?，出貨量預計從2008年的800萬件，增長到2013年5.40億，年復合增長率（CAGR）達到129%。

在現有的不同的磁感應計芯片制造技術中，各向異性磁阻（AMR）傳感器的發展勢頭銳不可擋，因為能夠提供高空間分辨率和高精度、低功耗，特別是低功耗對電池供電的便攜設備至關重要。磁感應計的工作原理是通過測量電阻變化來確定磁場強度。

當在一個很薄的鐵條上施加磁力線方向與經過鐵條的電流方向垂直的磁場時，鐵條內的電阻就會發生變化。這種傳感器通常采用單臂電橋形式，如圖4所示，電橋由靜態阻值相同的磁阻構成。在測量過程中，電橋被通電壓Vb，有電流通過電阻。只要施加磁場H，在四個相反放置的電阻器內，有兩個電阻的磁化矢量轉向電流，使電阻值變大，而另兩個電阻的磁化矢量背離電流，使電阻值變小。在線性范圍內，傳感器輸出與所施加的磁場強度成正比。

圖 4：磁阻傳感器：簡圖

隨著手機成為傳感器最熱的應用領域，當配合加速計實現傾斜補償羅盤應用時，磁感應計越來越被市場看好。例如，意法半導體的6D模塊LSM303DLH就是一個有6個自由度（6 DOF） 的磁感應計。 這款產品在一個超小的LGA封裝內集成一個高性能的3軸加速計與一個高分辨率的3軸磁感應計 （圖5）。磁感應計單元包括附加的電流帶，可以通過電方式給輸出磁極“置位”或“復位”，并施加一個偏移磁場來修正環境磁場。

圖 5:LSM303DLH 3x 在一個超小的LGA封裝內整合一個3軸加速計和一個3軸磁感應計

在建筑物和汽車內，在高緯度地區，如北美和北歐，很難用霍爾型磁感應計檢測地球磁場傾角，而LSM303DLH能夠提供準確的3D的行進方向。配合支持各種主流的手機操作系統的行進、自動校準和軟/硬鐵補償驅動程序，LMS303DLH六維磁感應計為系統設計人員實現導航功能提供一個強大的工具。

特別值得一提是，整合加速計、陀螺儀和磁感應計，并均衡地利用三者的各自優點，可在在導航解決方案的核心部分實現一個所謂的慣性測量單元（IMU）。換句話說，平臺開發商可利用最新的MEMS技術，將慣性傳感器與較傳統的GPS系統配合使用，能夠在衛星信號很弱的高樓林立的市區或根本沒有信號的室內或地鐵環境中提供導航服務。在不久的將來，準確的方位信息與服務廠商提供的附加中間數據將會整合在一起，并顯示在用戶的手機顯示屏幕上，這種定位關聯服務將會為手機用戶帶來好處，例如，手機用戶可以獲得位于某一個購物中心內的所有商鋪的準確信息，找到想要購買的產品的方位提示，接收根據用戶興趣訂制的商品特價和打折信息。

這樣的應用現已出現在市場上，例如，在荷蘭，Android手機用戶可以安裝新增的移動現實空間瀏覽器Layar。

在大多情況下，新出現的開放軟件平臺的開發項目更易遭遇到先進的感應功能，所以新的軟件平臺鼓勵全社區的開發人員團結協作，開發符合自己需求的應用軟件，同時給電子設備增加價值。

整合MEMS加速計、陀螺儀和地磁感應計的模塊正在進入廉價的電子玩具市場，傳感器模塊提供的動作捕捉功能可實現互動的游戲體驗，還能讓更小的兒童上網分享快樂：孩子們很快就能夠創造自己的虛擬娃娃和人物，用人類自然的動作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤一類的東西，甚至可以在網上與全球的小朋友一起分享游戲。

結論：我們最近推出的微型、可靠、低價的MEMS陀螺儀和磁感應計通常集成了MEMS加速計，可使多種消費電子設備實現更強的運動跟蹤功能，為用戶提供更好的如臨其境的現場感。意法半導體是您首選的一站式MEMS元器件供應商，上文提到的全部元器件都在意法半導體的傳感器產品組合內。憑借在MEMS技術、ASIC設計和更智能的封裝技術上不斷取得進步，結合最先進的生產線和戰略合作伙伴關系，意法半導體正在推動感應功能一體化時代，進一步加強其MEMS傳感器在消費電子和手機市場的領導地位。