改变操控的力量 陀螺仪技术寻根问底

MEMS陀螺仪技术发展方向

在苹果公司的iPhone和任天堂公司的Wi i游戏机的推动下，“运动传感”概念深入人心，具备微型化智能化特征的MEMS陀螺仪正成为用户关注的焦点，正成为消费类电子设备运动传感的关键器件。著名市场研究顾问机构Yole Development新预测，MEMS陀螺仪、加速度计和磁感应器的销售额在2013年将达到45亿美元的规模。

图4：在新工艺的支持下MEMS陀螺仪体积越来越小，性能越来越高，功能越来越强大

先进工艺是保障MEMS陀螺仪技术得以走向现实的基础。MEMS加工除了使用大量传统的IC工艺外，还需要一些特殊工艺，如双面刻蚀、双面光刻等。通过在晶圆阶段整合MEMS晶圆与相对应的CMOS电子电路，目前产品已能将MEMS陀螺仪产品的封装缩小到mm级，大厚度也仅为1mm左右，同时还能提供更高的效能、更低的噪声，与更低的半导体封装成本。新一代MEMS陀螺仪已普遍具备体积小、功耗低、精度高、成本低等诸多优点。

目前的MEMS陀螺仪产品包含单轴(如Z轴产品，可以由3个Z轴陀螺仪实现三轴功能)、双轴(如XY双轴、XZ双轴，可由1个XY双轴和1个Z轴陀螺仪实现三轴功能)、三轴(XYZ三轴)，以及三轴MEMS陀螺仪结合三轴MEMS加速度计实现的所谓六轴产品。三轴陀螺仪可以同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度，单轴陀螺仪要实现同样的功能需要三个单轴陀螺仪组合。相比单轴或双轴产品，合三为一或合二为一的三轴陀螺仪具有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好的优点，是MEMS陀螺仪的发展趋势。单一的三轴产品比组合的三轴产品在集成度和体积上也更适合于消费类电子设备。

图5

图5：当信号频率高于0.5Hz时，陀螺仪对倾斜和旋转运动的测量精度高于加速度计，反之亦然。而通过传感器融合算法可把加速度计和陀螺仪的数据相结合，便可实现更宽的运动信号频率覆盖范围。

从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计(加速计)形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为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。

为此，应用这方面技术的前沿厂商InvenSense(应美盛)公司的专家认为：“要准确地描述线性和旋转运动，需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用陀螺仪和加速度计的方案。”此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。InvenSense的营销总监Doug Vargha亦为此表示：“若只使用传统的加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。”

加速度计

加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度，并通过对加速度积分，知道载体的速度和位置等信息。因此，加速度计的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度。MEMS类加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起作加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压就能测得外界的加速度大小。目前该设备已开始被较广泛地应用于智能手机、游戏手柄等领域。