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),，為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(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,，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)有的其它類型陀螺儀,。當(dāng)這些無用的信號(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效。
在系統(tǒng)方面,，陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡化為電機(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)部分通過測(cè)量電容變化來測(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，平臺(tái)開發(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,，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)用戶帶來好處,，例如,，手機(jī)用戶可以獲得位于某一個(gè)購物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示,，接收根據(jù)用戶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：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一類的東西,，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,。