MEMS陀螺仪可在恶劣的高温环境中提供精密惯性检测

越来越多的应用需要从位于极高温环境中的传感器收集数据。近年来，半导体、无源器件和互连器件在实现高精度数据采集和处理方面取得了长足的进步。然而，对于可在高达175°C的温度下工作的传感器的需求仍未得到满足，特别是在微机电系统（MEMS）提供的易于使用的外形尺寸中。与分立式传感器相比，MEMS传感器通常更小、功耗更低、成本更低。此外，它们还可以在同一半导体封装中集成信号调理电路。

高温MEMS加速度计ADXL206已经发布，可提供高精度倾斜（倾斜）测量。然而，在最终产品可能受到严重冲击、振动和剧烈运动的恶劣环境中，仍然需要额外的自由度来精确测量系统的运动。这种类型的滥用会导致系统的过度磨损和早期故障，从而产生高昂的维护或停机成本。

为了满足这一需求，ADI公司开发了一款集成信号调理功能的新型高温MEMS陀螺仪ADXRS645。该传感器即使在存在冲击和振动的情况下也能进行精确的角速率（转速）测量，额定温度高达175°C。

操作理论

MEMS陀螺仪通过科里奥利加速度测量角速率。科里奥利效应可以解释如下，从图1开始。考虑一下自己站在靠近中心的旋转平台上。您相对于地面的速度显示为蓝色箭头长度。如果你要移动到平台外边缘附近的一个点，你的速度将相对于地面增加，如较长的蓝色箭头所示。由径向速度引起的切向速度增加的速率是科里奥利加速度。

图1.科里奥利加速度示例。向北向旋转平台外边缘移动的人必须增加向西的速度分量（蓝色箭头）以保持北行路线。所需的加速度是科里奥利加速度。

如果Ω是角速率，r 是半径，则切向速度为 Ωr。因此，如果r在速度v时变化，则会出现切向加速度Ωv。这是科里奥利加速度的一半。还有一半来自改变径向速度的方向，总共得到2Ωv。如果你有一个质量（M），平台必须施加一个力（2MΩv）来引起这种加速度，并且质量会经历相应的反作用力。ADXRS645利用了这种效应，使用类似于人在旋转平台上移出和移入的共振质量。质量由多晶硅微加工而成，并拴在多晶硅框架上，因此它只能沿一个方向共振。

图2显示，当共振质量向旋转的外边缘移动时，它向右加速并向左对框架施加反作用力。当它向旋转中心移动时，它会向右施加力，如绿色箭头所示。

图2.科里奥利效应响应于悬浮在框架内的共振硅块的演示。绿色箭头表示基于共振质量的状态施加到结构上的力。

为了测量科里奥利加速度，包含共振质量的框架通过弹簧相对于共振运动以90°拴在基板上，如图3所示。该图还显示了科里奥利感应手指，用于通过电容式转导来感应框架的位移，以响应质量施加的力。

图3.陀螺仪的机械结构示意图。

图4显示了完整的结构，表明随着共振质量的移动和陀螺仪安装的表面的旋转，质量及其框架经历科里奥利加速度，并与振动运动平移90°。随着旋转速率的增加，质量的位移和从相应电容获得的信号也会发生变化。应该注意的是，陀螺仪可以放置在旋转物体上的任何位置和任何角度，只要其感应轴平行于旋转轴即可。

图4.框架和共振质量体响应科里奥利效应横向位移。

电容式传感

ADXRS645通过连接到谐振器的电容式检测元件测量科里奥利效应引起的谐振质量及其框架的位移，如图4所示。这些元件是硅束，与连接到基板上的两组固定硅束交错，从而形成两个标称相等的电容器。由于角速率引起的位移在该系统中会产生差分电容。

实际上，科里奥利加速度是一个极小的信号，产生声束偏转的埃分数和相应的电容变化，约为齐法频量级。因此，尽量减少对寄生源（如温度、封装应力、外部加速度和电噪声）的交叉敏感性非常重要。这部分是通过将电子设备（包括放大器和滤波器）与机械传感器放置在同一芯片上来实现的。然而，更重要的是在信号链的下游进行差分测量，并将信号与谐振器速度相关联，特别是为了处理外部加速度的影响。

振动抑制

理想情况下，陀螺仪只对旋转速率敏感，而对其他不敏感。在实践中，由于机械设计的不对称和/或微加工不准确，所有陀螺仪对加速度都有一定的敏感性。事实上，加速度灵敏度有多种表现形式，其严重程度因设计而异。最重要的是对线性加速度（或g灵敏度）和振动校正（或g2灵敏度），并且可能严重到完全淹没器件的额定偏置稳定性。当速率输入超出额定测量范围时，某些陀螺仪的输出会在轨与轨之间摆动。其他陀螺仪在受到小至几百克的冲击时有锁定的趋势。这些陀螺仪不会因电击而损坏，但它们不再响应速率，需要重新通电才能重新启动。

ADXRS645采用新颖的角速率检测方法，可以抑制高达1000 g的冲击——它使用四个谐振器来差分检测信号，并抑制与角运动无关的共模外部加速度。图5中的顶部和底部谐振器对在机械上是独立的，并且它们工作反相。因此，它们测量相同的旋转幅度，但给出相反方向的输出。因此，传感器信号之间的差异用于测量角速率。这样可以消除影响两个传感器的非旋转信号。信号在前置放大器之前的内部硬接线中组合。因此，极端加速度过载在很大程度上被阻止到达电子设备，从而允许信号调理在大冲击期间保持角速率输出。

图5.四通道差分传感器设计。

传感器实现

陀螺仪及相关驱动和检测电路的简化原理图如图6所示。

图6.集成陀螺仪的框图。

谐振器电路感测谐振质量的速度，放大并驱动谐振器，同时保持相对于科里奥利信号路径的良好控制相位（或延迟）。科里奥利电路用于通过下游信号处理来检测加速度计帧的运动，以提取科里奥利加速度的大小并产生与输入旋转速率一致的输出信号。此外，自检功能可检查包括传感器在内的整个信号链的完整性。

应用示例

可以说，石油和天然气井下钻井行业遇到了电子产品最恶劣的环境之一。这些系统利用多种传感器来更好地了解钻柱在地表以下的运动，优化操作并防止损坏。以 RPM 为单位测量的钻孔旋转速率是钻孔操作员需要始终了解的关键指标。传统上，这是从磁力计计算得出的。然而，磁力计会受到钻套管和周围钻孔中存在的黑色金属材料的干扰。它们还必须安装在特殊的非磁性钻铤（外壳）中。

除了简单的RPM测量之外，人们越来越关注了解钻柱的运动或钻井动力学，以最佳地管理施加的力、旋转速率和转向等参数。管理不善的钻井动态可能导致钻井的高振动和极不稳定的运动，导致到目标区域的钻井时间延长、设备过早失效、钻头转向困难以及油井本身受损。在极端情况下，设备可能会损坏并留在井中，然后必须以非常高的成本取回。

由于钻井参数管理不善而导致的一种特别有害的运动类型称为粘滑。粘滑是一种钻头卡住，但钻柱顶部继续旋转的现象。当钻头被卡住时，钻柱的底部会缠绕起来，直到它产生足够的扭矩来松动，通常是剧烈的。发生这种情况时，钻头处的旋转速率会出现较大的峰值。粘滑往往会周期性地发生，并且可以持续很长时间。粘滑的典型RPM响应如图7所示。由于地表的钻柱继续正常旋转，钻井操作人员往往没有意识到这种破坏性现象正在井下发生。

图7.粘滑循环 RPM 曲线示例。

此应用的关键测量是对钻头附近的转速进行精确、高采样率测量。陀螺仪（如抗振ADXRS645）非常适合此任务，因为测量与钻柱的任何线性运动分离。当存在高振动和不稳定运动时，从磁力计计算的旋转速率会受到噪声和误差的影响。基于陀螺仪的解决方案可以即时回答转速，并且不依赖于过零或其他可能受到冲击和振动影响的算法。

此外，与磁通门磁力计解决方案相比，基于陀螺仪的电路更小，需要的元件更少，磁通门磁力计解决方案需要多个磁力计轴和额外的驱动电路。信号调理集成在ADXRS645中。支持高温IC对陀螺仪模拟输出进行采样和数字化，采用低功耗、低引脚数封装。具有数字输出的额定值为175°C的陀螺仪电路可通过图8所示的简化信号链实现。数据采集电路的完整参考设计可在 www.analog.com/cn0365 获得。

图8.额定 175°C 陀螺仪数字输出信号链。

总结

本文介绍了首款额定工作温度为175°C高温的MEMS陀螺仪ADXRS645。该传感器可在恶劣环境应用中进行精确的角速率测量，从而抑制冲击和振动的影响。陀螺仪由一系列高温IC支持，用于采集信号进行处理。

审核编辑：郭婷