MEMS传感器简介--陀螺仪

MEMS传感器市场浪潮可以从最早的汽车电子到近些年来的消费电子，和即将来到的物联网时代。如今单一的传感器已不能满足人们对功能、智能的需要，像包括MEMS惯性传感器、MEMS环境传感器、MEMS光学传感器、甚至生物传感器等多种传感器数据融合将成为新时代传感器应用的趋势。

工欲善其事，必先利其器，这里就先以MEMS陀螺仪开始，简要介绍一下MEMS陀螺仪、主要性能参数和使用。

传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理，即：对旋转的物体，它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。MEMS陀螺仪主要利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）原理，公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测科里奥利力。

MEMS陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制共振运动，通过科里奥利力原理把角速率转换成一个特定感测结构的位移。以一个单轴偏移（偏航，YAW）陀螺仪为例，通过图利探讨最简单的工作原理。

两个相同的质量块以方向相反的做水平震荡，如水平方向箭头所示。当外部施加一个角速率，就会出现一个科氏力，力的方向垂直于质量运动方向，如垂直方向箭头所示。产生的科氏力使感测质量发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为感测器感测部分的动电极(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子参数---电容量。

下图是一种MEMS陀螺仪的系统架构，，陀螺仪的讯号调节电路可以分为马达驱动和加速度计感测电路两个部分。其中，马达驱动部分是透过静电引动方法，使驱动电路前后振动，为机械元件提供激励；而感测部分透过测量电容变化来测量科氏力在感测质量上产生的位移。

、

当然，MEMS陀螺仪还具有其它功能模块，比如自检功能电路，低功耗以及运动唤醒电路等等。

下面主要介绍MEMS陀螺仪的主要性能参数。

量程（动态范围） DYNANMIC RANGE
灵敏度 SENSORTIVITY RESOLUTION
零角速度输出（零位输出）ZERO OUTPUT
轴间交调灵敏度 INTER AXIS sensitivity
刻度因子
非线性度
线性加速度敏感度
振动敏感度
零偏稳定性
噪声密度
角度随意游走系统
带宽
偏置电压灵敏度
自检功能
功耗
冲击生存能力
工作温度范围
封装误差

陀螺仪的量程通常以正、反方向输入角速率的最大值来表示，比如：+/-300 degree/sec。该值越大表示陀螺仪敏感角速率的能力越强，在此输入角速率范围内，陀螺仪刻度因子非线性度能满足规定要求，通常陀螺仪的量程是可以配置的。

灵敏度（分辨率）表示在规定的输入角速率下能感知的最小输入角速率的增量，比如：0.05 degree/sec/LSB。一般而言MEMS陀螺仪的测量范围越大，灵敏度会相应降低。

刻度因子（标度因数）是指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。这个比值是用一特定的直线斜率表示的，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，用最小二乘法拟合求得。

非线性度是在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对最小二乘法拟合直线的最大的偏差与最大输出量之比，表征了陀螺仪实际输入和输出数据的偏离程度，决定了该拟合数据的可信度。

线性加速度灵敏度反映的是陀螺仪对加速度的敏感程度，单位是degree/sec/g。

振动敏感度是指陀螺仪对振动的敏感程度，单位是degree/sec/g²。陀螺仪对线性加速度和振动越不敏感，那么陀螺仪的性能越好，构建的算法也就越有效。

零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出，其用较长时间输出的均值等效折算为输入角速率来表示，也就是观测值围绕零偏的离散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒会漂0.005 degree。在零输入状态下的长时间稳态输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将围绕均值（零偏）起伏和波动，习惯上用均方差来表示，这种均方差被定义为零偏稳定性。而初始零偏误差可以理解为静态误差，它不会随时间的波动，可以用过软件校准。

当陀螺仪处于零输入状态时，脱落的输出信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。漫变随机函数可用来确定零偏和零偏稳定性指标，白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价旋转角速度的标准偏差，单位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。这个白噪声也可以用单位为 degree/√Hz 的角度随意游走系数来表示，随机游走系数是指由白噪声产生的随时间积累的陀螺仪输出误差系数。当外界条件基本不变诗，可以认为上面所分析的各种噪声的主要统计特性是不随时间推移而变化的。

偏置电压灵敏度是指陀螺仪的输出对供电电源变化的敏感程度，比如：0.03degree/sec/V，即供电电源每变化1V，输出角速率变化多少。

带宽是指陀螺仪能够精确测量输入的角速率的频率范围，这个范围越大表明陀螺仪的动态响应能力越强。

自检功能在使用前自动测试器件的机械和CMOS电路部分，以提供系统的鲁棒性。

功耗包括陀螺仪在不同分辨率或不同数据输出率下运行时的功耗，休眠功耗。在低功耗应用像可穿戴、物联网应用等领域这个指标尤为重要。

冲击生存能力指陀螺仪承受不同程度下加速度冲击的能力，比如：2000g加速度冲击后陀螺仪保证系统正常工作。考虑到陀螺仪的应用环境可能会收到较大的冲击时，这个指标尤为重要，一般陀螺仪受到超过它的加速度承受范围会挂掉，必须重启上电后才能正常工作。

MEMS陀螺仪的机械架构决定了温度会影响数据的输出，而超过工作温度范围可能会导致数据输出产生较大的偏差。

封装误差是裸片对角线和封装对角线的夹角。

参考文献：《基础教程：陀螺仪工作原理》，ADI在线研讨会-理解和应用微电子机械系统（MEMS），ST三轴陀螺仪应用笔记：TA0343

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