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    MEMS陀螺儀的原理與應用優勢分析

       日期:2013-02-18    
    核心提示:ST陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元,按照一個音叉機制運轉,利用Coriolis原理把角速率轉換成一個特定感應結構的位移。

    消費電子設備早在幾年前就開始使用MEMS加速計。從游戲機到手機,從筆記本電腦到白色家電,運動控制式用戶界面和增強的保護系統給所有的消費電子產品帶來很多好處。現在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了,消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度,而 MEMS加速計則能測量線性加速度,因此這兩者是一對理想的互補技術。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,按照一個音叉機制運轉,利用Coriolis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,就會產生一個與質點運動方向垂直的科里奧利力,如圖中黃色箭頭所示。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

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    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,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

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    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)。

     


    圖 3:采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀

    意法半導體為客戶提供多軸感應、30dps到6000dps量程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需求,從圖像穩定器到游戲,從指向裝置到機器人控制。除上述傳統應用外,整合加速計和陀螺儀可以實現導航解決方案的慣性測量單元。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。

    整合MEMS加速計和陀螺儀地磁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感應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。

     
      
      
      
      
     
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