单轴MEMS偏航陀螺仪结构应用分析

陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，而MEMS加速计则能测量线性加速度，因此这两者是一对理想的互补技术。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EMES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研制的微机械陀螺仪传感器沿用了ST成功的制造技术，ST利用这项技术已经制造了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。

　　ST陀螺仪的核心元件是一个微加工机械单元，按照一个音叉机制运转，利用Coriolis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，就会产生一个与质点运动方向垂直的科里奥利力，如图中黄 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。

　　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，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。