单轴偏航MEMS陀螺仪的结构及原理

事实上，MEMS传感器是消费电子实现创新应用不可或缺的关键元器件。近年来，从游戏机到手机，从笔记本电脑到白色家电，很多消费电子产品利用低g加速计，实现了运动控制的用户界面和增强型保护系统。现在该轮到MEMS陀螺仪和地磁感应计发挥作用，推动新一波令人兴奋的创新应用高速增长。

有关能够测量线性加速度的MEMS加速计的技术文章已经很多，因此，本文基本上不涉及加速传感器，把更多的笔墨留给陀螺仪、地磁感应计等具有多个自由度检测功能的元器件。

MEMS陀螺仪

陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

ST在MEMS市场的份额正在快速增长。作为全球公认的消费电子和手机市场最大的MEMS传感器供应商，ST最近推出了30款以低功耗和小封装为特色的高性能陀螺仪。

ST陀螺仪的核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转，利用科里奥利原理把角速率转换成一个特定感应结构的位移。

我们以一个单轴偏航陀螺仪为例，探讨最简单的工作原理（图1）。两个正在运动的质点向相反方向做连续运动，如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率，就会出现一个科里奥利力，力的方向垂直于质点运动方向，如黄色箭头所示。产生的科里奥利力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为传感器感应部分的运动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参数。

图 1：单轴MEMS偏航陀螺仪

ST研制的微机械陀螺仪传感器沿用了ST成功的制造技术，这项技术已为ST制造了6亿多颗加速传感器，选择成功的技术可为客户提供最先进的质量可靠的产品，而且可直接用于最终应用。因为ST选用了音叉方法设计陀螺仪，其差分特性使系统本身对作用在传感器上的无用线性加速度和杂乱振动的敏感度低于市场上现有的其它类型陀螺仪。当这些无用的信号被施加到陀螺仪上时，两个质点就会沿相同方向位移，在一个差分测量后，最终的电容变化将视为无效。

在系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分（图2）：

- 电机驱动部分通过静电激励方法，使驱动电路前后振荡，为机械元件提供励磁；

- 感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线，能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。

图 2：一个单轴偏航MEMS陀螺仪的结构简图

在控制电路内部有先进的电源关断功能，当不需要传感器功能时，可关闭整个传感器，或让其进入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺仪的总功耗，当需要检测传感器上施加的角速率时，在接到用户的命令后，传感器可从睡眠模式中立即唤醒。

与ST的MEMS加速计类似，MEMS陀螺仪也沿用一个系统级封装（SIP）方法，机械感应元器件与其调节ASIC电路放在同一个封装内。

智能设计方法结合先进的封装解决方案使得该系列产品的封装尺寸大幅缩减，多轴陀螺仪的系统封装面积仅为3x5 mm2 ，最大厚度仅为1mm （图3），同时在最终产品的生命周期内确保传感器的稳定性和高性能。

图 3：采用超小LGA封装的ST多轴陀螺仪

意法半导体为客户提供1轴-3轴、30dps-6000dps的各种陀螺仪传感器，让系统设计工程师能够解决不同的应用：从图像稳定器到游戏，从指向装置到机器人控制。

特别是，像ST的3轴加速度传感器一样，高性能3轴陀螺仪的问市正在促进手机、游戏机等设备实现先进的人机界面。

不仅有运动传感器，还有…

全新的地磁感应计正在融入消费电子产品。

磁感应计能够测量多个轴向的地球磁场强度，让便携设备实现更强的罗盘和导航功能。

类似于运动传感器，消费电子产品和手机也是增长最快的磁感应计市场，2009年磁感应计市场增幅逾100%。据iSuppli最新的市场研究报告，这个市场增长非常快，出货量预计从2008年的800万件，增长到2013年5.40亿，年复合增长率（CAGR）达到129%。

在现有的不同的磁感应计芯片制造技术中，各向异性磁阻（AMR）传感器的发展势头锐不可挡，因为能够提供高空间分辨率和高精度、低功耗，特别是低功耗对电池供电的便携设备至关重要。磁感应计的工作原理是通过测量电阻变化来确定磁场强度。

当在一个很薄的铁条上施加磁力线方向与经过铁条的电流方向垂直的磁场时，铁条内的电阻就会发生变化。这种传感器通常采用单臂电桥形式，如图4所示，电桥由静态阻值相同的磁阻构成。在测量过程中，电桥被通电压Vb，有电流通过电阻。只要施加磁场H，在四个相反放置的电阻器内，有两个电阻的磁化矢量转向电流，使电阻值变大，而另两个电阻的磁化矢量背离电流，使电阻值变小。在线性范围内，传感器输出与所施加的磁场强度成正比。

图 4：磁阻传感器：简图

随着手机成为传感器最热的应用领域，当配合加速计实现倾斜补偿罗盘应用时，磁感应计越来越被市场看好。例如，意法半导体的6D模块LSM303DLH就是一个有6个自由度（6 DOF） 的磁感应计。 这款产品在一个超小的LGA封装内集成一个高性能的3轴加速计与一个高分辨率的3轴磁感应计 （图5）。磁感应计单元包括附加的电流带，可以通过电方式给输出磁极“置位”或“复位”，并施加一个偏移磁场来修正环境磁场。

图 5:LSM303DLH 3x 在一个超小的LGA封装内整合一个3轴加速计和一个3轴磁感应计

在建筑物和汽车内，在高纬度地区，如北美和北欧，很难用霍尔型磁感应计检测地球磁场倾角，而LSM303DLH能够提供准确的3D的行进方向。配合支持各种主流的手机操作系统的行进、自动校准和软/硬铁补偿驱动程序，LMS303DLH六维磁感应计为系统设计人员实现导航功能提供一个强大的工具。

特别值得一提是，整合加速计、陀螺仪和磁感应计，并均衡地利用三者的各自优点，可在在导航解决方案的核心部分实现一个所谓的惯性测量单元（IMU）。换句话说，平台开发商可利用最新的MEMS技术，将惯性传感器与较传统的GPS系统配合使用，能够在卫星信号很弱的高楼林立的市区或根本没有信号的室内或地铁环境中提供导航服务。在不久的将来，准确的方位信息与服务厂商提供的附加中间数据将会整合在一起，并显示在用户的手机显示屏幕上，这种定位关联服务将会为手机用户带来好处，例如，手机用户可以获得位于某一个购物中心内的所有商铺的准确信息，找到想要购买的产品的方位提示，接收根据用户兴趣订制的商品特价和打折信息。

这样的应用现已出现在市场上，例如，在荷兰，Android手机用户可以安装新增的移动现实空间浏览器Layar。

在大多情况下，新出现的开放软件平台的开发项目更易遭遇到先进的感应功能，所以新的软件平台鼓励全社区的开发人员团结协作，开发符合自己需求的应用软件，同时给电子设备增加价值。

整合MEMS加速计、陀螺仪和地磁感应计的模块正在进入廉价的电子玩具市场，传感器模块提供的动作捕捉功能可实现互动的游戏体验，还能让更小的儿童上网分享快乐：孩子们很快就能够创造自己的虚拟娃娃和人物，用人类自然的动作玩这些玩具，不再使用按钮或键盘一类的东西，甚至可以在网上与全球的小朋友一起分享游戏。

结论：我们最近推出的微型、可靠、低价的MEMS陀螺仪和磁感应计通常集成了MEMS加速计，可使多种消费电子设备实现更强的运动跟踪功能，为用户提供更好的如临其境的现场感。意法半导体是您首选的一站式MEMS元器件供应商，上文提到的全部元器件都在意法半导体的传感器产品组合内。凭借在MEMS技术、ASIC设计和更智能的封装技术上不断取得进步，结合最先进的生产线和战略合作伙伴关系，意法半导体正在推动感应功能一体化时代，进一步加强其MEMS传感器在消费电子和手机市场的领导地位。