越來越多的應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,，半導體,、無源器件和互連領域取得了很大進展,，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高溫條件下運行的傳感器,，尤其是采用微機電系統(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體封裝內(nèi)集成信號調(diào)理電路,。

目前已發(fā)布高溫MEMS加速度計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，以準確測量系統(tǒng)在嚴苛環(huán)境應用下的移動,，在這些環(huán)境下,，最終產(chǎn)品可能遭受沖擊、振動和劇烈移動,。這種類型的濫用會導致系統(tǒng)過度磨損和提前出現(xiàn)故障,，由此產(chǎn)生高額的維護或停機成本。

為了滿足這一需求,，ADI公司新開發(fā)了一款集成信號調(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環(huán)境下也能實現(xiàn)準確的角速率（轉(zhuǎn)速）測量,，且額定工作溫度高達175°C,。

工作原理

MEMS陀螺儀利用科氏加速度來測量角速率。關于科氏效應的解釋,，從圖1開始,。設想自己站在一個旋轉(zhuǎn)平臺上，站在靠近中心的位置,。您相對于地面的速度以藍色箭頭的長度來顯示,。如果您移動到靠近平臺外緣的位置，您相對于地面的速度會加快,，具體由更長的藍色箭頭表示,。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，r改變,，則會產(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)，那么平臺必須施加力—2MΩv—來產(chǎn)生這種加速度,，那么質(zhì)量體也會經(jīng)受對應的反作用力,。ADXRS645通過使用與人在旋轉(zhuǎn)平臺上向中心和向外緣移動時對應的諧振質(zhì)量體來利用這種效應。質(zhì)量體是采用多晶硅,，通過微機械加工而成,，并粘接在多晶硅框架上，所以它只能沿一個方向諧振,。

圖1.科氏加速度示例,。人員向北移動到旋轉(zhuǎn)平臺的外緣時，必須增大向西的速度分量（藍色箭頭）,，

以保持向北移動的路線,。所需的加速度就是科氏加速度。

圖2.科氏效應演示：響應懸掛在框架內(nèi)的硅質(zhì)量體的諧振,。

綠色箭頭表示結(jié)構受到的力（基于諧振質(zhì)量體的狀態(tài)）,。

圖2顯示，當諧振質(zhì)量體向旋轉(zhuǎn)平臺的外緣移動時,，它向右加速,，并向左對框架施加一個反作用力。當它向旋轉(zhuǎn)中心移動時,，它向右施加一個力,，如綠色箭頭所示。

為了測量科氏加速度,，我們使用與諧振運動方向呈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,，在受到施加給質(zhì)量體的力影響時檢測框架的位移。

圖3.該陀螺儀的機械架構原理圖,。 

圖4顯示完整的結(jié)構,，從中可以看出，當諧振質(zhì)量體移動,，陀螺儀所在的安裝平面旋轉(zhuǎn)時,，質(zhì)量體和其框架會受到科氏加速度影響，并因為振動旋轉(zhuǎn)90°,。隨著轉(zhuǎn)速加快,，質(zhì)量體的位置和從對應的電容獲取的信號發(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，形成兩個名義上相等的電容,。角速率引起的位移會在系統(tǒng)中產(chǎn)生差分電容,。

在實際應用中，科氏加速度是一個極小的信號,，會導致幾分之一埃的射束偏轉(zhuǎn),，以及仄法級別的電容變化（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）和機械傳感器放置在同一裸片上來實現(xiàn)的,。但是，更重要的是在信號鏈中距離盡可能遠的位置實施差分測量,，并將信號與諧振器速度關聯(lián)起來,，尤其是在處理外部加速度產(chǎn)生的影響時。

振動抑制

理想情況下,，陀螺儀只對轉(zhuǎn)速敏感,，對其他東西都不敏感。在實際應用中,，由于陀螺儀的機械設計不對稱,，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。事實上,，加速度靈敏度有多種表現(xiàn)形式——其嚴重程度因設計而異,。最為嚴重的通常要屬對線性加速度的靈敏度（或g靈敏度）和振動整流的靈敏度（或g2靈敏度），嚴重到足以完全抵消該器件的額定偏置穩(wěn)定性,。當速率輸入量超過額定測量范圍時,，有些陀螺儀軌與軌之間的輸出會存在差異。其他陀螺儀在受到低至幾百g的沖擊時,，會傾向于鎖死,。這些陀螺儀不會受到?jīng)_擊損壞，但是也無法再對速率做出響應,，需要進行重啟。

ADXRS645采用了一種新穎的角速率檢測方法,，使其能夠抑制高達1000 g的沖擊,。它使用四個諧振器對信號實施差分檢測，并抑制與角移動無關的共模外部加速度,。圖5頂部和底部的諧振器彼此獨立,，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,，利用傳感器信號之間的差值來測量角速率,。如此可以消除對兩個傳感器造成影響的非旋轉(zhuǎn)信號。信號在前置放大器前面的內(nèi)部硬連線中組合,。因此,，會在很大程度上防止極端加速過載到達電子器件，從而使得信號調(diào)理能在受到大型沖擊時保持角速率輸出,。

圖5.四通道差分傳感器設計,。

傳感器安裝

圖6所示為陀螺儀、相關的驅(qū)動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，進行放大,，并驅(qū)動諧振器,，同時相對于科氏信號路徑保持一個控制良好的相位（或延遲）?？剖想娐繁挥糜跈z測加速度計框架的移動,，利用下游信號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。此外,，自檢功能會檢查整個信號鏈（包括傳感器）的完整性,。

應用示例

對于電子設備來說，最嚴苛的使用環(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行狀況,，以優(yōu)化操作并防止造成損壞。鉆機的轉(zhuǎn)速以RPM為單位測量,，是鉆機操作員時刻需要掌握的一個關鍵指標,。以前，這個指標由磁力計計算得出,。但是,，磁力計容易受到鉆機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（或鉆柱動態(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),。鉆柱動態(tài)如果管理不善，可能導致鉆柱高度振動和出現(xiàn)極不穩(wěn)定的移動,，這會導致目標區(qū)域的鉆井時間延長,、設備過早故障、鉆頭轉(zhuǎn)向困難,，且會對鉆井本身造成損壞,。在極端情況下，設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)管理不善會導致一種特別有害的移動，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)動收緊,，直到達到足夠扭矩，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，鉆頭上會出現(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)很長一段時間,。對粘滑的典型RPM響應如圖7所示。由于地表的鉆柱繼續(xù)正常運行,，鉆機操作員通常無法意識到,，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,。

在這種應用中,，一個關鍵的測量方法是準確、頻繁地測量鉆頭附近的轉(zhuǎn)速,。陀螺儀（例如具有振動抑制效果的ADXRS645）非常適合執(zhí)行這項任務,，因為其測量不受鉆柱的線性移動影響。在出現(xiàn)高度振動和不穩(wěn)定移動時,，磁力儀計算得出的轉(zhuǎn)速易受噪聲和誤差影響,。基于陀螺儀的解決方案能夠即時測量得出轉(zhuǎn)速,，且不使用易受沖擊和振動影響的過零或其他算法,。

此外，相比磁通磁力計解決方案,，基于陀螺儀的電路體積更小,，需要的元器件數(shù)量更少,，而前者需要多個磁力計軸和額外的驅(qū)動電路,。ADXRS645中集成了信號調(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中所示的簡化信號鏈,，可以實現(xiàn)提供數(shù)字輸出,、額定溫度為175°C的陀螺儀電路。關于數(shù)據(jù)采集電路的完整參考設計,，請訪問www.analog.com/cn0365,。

圖8.額定溫度為175°C的陀螺儀數(shù)字輸出信號鏈。 

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)境應用中準確測量角速率,，防止沖擊和振動造成影響。此陀螺儀由一系列高溫IC提供支持,，以獲取信號并進行處理,。如需了解關于ADI高溫產(chǎn)品的更多信息，請訪問www.analog.com/hightemp,。

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)應用工程師,，致力于高溫應用。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)的一名設計工程師,。他擁有賓州州立大學的電氣工程學士和碩士學位。