詳解三軸陀螺儀的技術(shù)原理

　　在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)（precession），又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)（gyroscopic effect）。

　　陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

　　我們現(xiàn)在常接觸的便是電子式的陀螺儀，有壓電陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光纖陀螺儀，激光陀螺儀等，并且還可以和加速度計(jì)，磁阻芯片，GPS，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

　　MEMS陀螺儀基本技術(shù)原理

　　要想將陀螺儀技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)、MID、手柄、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)這樣的小型設(shè)備中，將傳統(tǒng)陀螺儀小型化是必然，為此，MEMS陀螺儀正全面走進(jìn)數(shù)碼設(shè)備、游戲設(shè)備。MEMS是什么呢？MEMS（Micro ElectroMechanical systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，其是一種可對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一整體單元的微型系統(tǒng)。

　　MEMS產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于。。。數(shù)碼相機(jī)（防抖防震器件，使用MEMS陀螺儀產(chǎn)品即便在持續(xù)震動的環(huán)境中，也能準(zhǔn)確地進(jìn)行歸零的動作）、筆記本電腦或MID、手機(jī)（如加速度計(jì)）、MP3/MP4、游戲機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中。陀螺儀利用這種技術(shù)，可在硅片上形成微米尺度的精密諧振結(jié)構(gòu)，用來感應(yīng)角速度的大小和方向。

　　與傳統(tǒng)的利用角動量守恒原理的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀使用了不同的工作原理。傳統(tǒng)的陀螺儀是一個不停轉(zhuǎn)動的物體，其轉(zhuǎn)軸的指向不隨承載它的支架旋轉(zhuǎn)而變化。要把這樣一個不停轉(zhuǎn)動的沒有支撐的能旋轉(zhuǎn)的物體用微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出來，顯然難上加難。為此，MEMS陀螺儀在基于傳統(tǒng)陀螺儀特性的基礎(chǔ)上利用科里奧利力來實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。什么是科里奧利力呢？科里奧利力（Coriolis force）也就時常說的哥里奧利力、科氏力，它是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動的偏移的一種描述，其來自于物體運(yùn)動所具有的慣性，由于地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動而作用于地球上運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)的偏向力就是這樣的代表，地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

　　MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見應(yīng)用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動時所受到的切向力），旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對各種形式的直線運(yùn)動產(chǎn)生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運(yùn)動的測量與控制。為了產(chǎn)生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個方向的可移動電容板，“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運(yùn)動帶來的電容變化。”這樣，MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動下就會不停地來回做徑向運(yùn)動或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來回變化的運(yùn)動，并可在橫向作與驅(qū)動力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計(jì)算出MEMS陀螺儀的角速度。

　　三軸角速度與旋轉(zhuǎn)速率成正比

　　以意法半導(dǎo)體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)（音叉機(jī)制的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動，當(dāng)音叉開關(guān)的音叉與被測介質(zhì)相接觸時，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關(guān)的這些變化由智能電路來進(jìn)行檢測，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個開關(guān)信號）。電機(jī)驅(qū)動部分通過靜電驅(qū)動方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振，利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，兩個正在運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動。只要從外部施加一個角速率，就會出現(xiàn)一個力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化，從而實(shí)現(xiàn)操控功能。并且，由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時候關(guān)閉整個傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機(jī)等便攜式設(shè)備就會由此獲得更長的續(xù)航時間。

　　MEMS陀螺儀技術(shù)發(fā)展方向

　　在蘋果公司的iPhone和任天堂公司的Wi i游戲機(jī)的推動下，“運(yùn)動傳感”概念深入人心，具備微型化智能化特征的MEMS陀螺儀正成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，正成為消費(fèi)類電子設(shè)備運(yùn)動傳感的關(guān)鍵器件。著名市場研究顧問機(jī)構(gòu)Yole Development最新預(yù)測，MEMS陀螺儀、加速度計(jì)和磁感應(yīng)器的銷售額在2013年將達(dá)到45億美元的規(guī)模。

　　先進(jìn)工藝是保障MEMS陀螺儀技術(shù)得以走向現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。MEMS加工除了使用大量傳統(tǒng)的IC工藝外，還需要一些特殊工藝，如雙面刻蝕、雙面光刻等。通過在晶圓階段整合MEMS晶圓與相對應(yīng)的CMOS電子電路，目前產(chǎn)品已能將MEMS陀螺儀產(chǎn)品的封裝縮小到mm級，最大厚度也僅為1mm左右，同時還能提供更高的效能、更低的噪聲，與更低的半導(dǎo)體封裝成本。新一代MEMS陀螺儀已普遍具備體積小、功耗低、精度高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)

　　三軸MEMS陀螺儀結(jié)合三軸MEMS加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的所謂六軸產(chǎn)品。三軸陀螺儀可以同時測定6個方向的位置、移動軌跡和加速度。

　　從MEMS陀螺儀的應(yīng)用方向來看，陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運(yùn)動的角速度，可與MEMS加速度計(jì)（加速計(jì)）形成優(yōu)勢互補(bǔ)，如果組合使用加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，設(shè)計(jì)者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能

　　為此，應(yīng)用這方面技術(shù)的前沿廠商InvenSense（應(yīng)美盛）公司的專家認(rèn)為：“要準(zhǔn)確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，需要設(shè)計(jì)者同時用到陀螺儀和加速度計(jì)。單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測；單純使用加速度計(jì)的方案可用于有固定的重力參考坐標(biāo)系、存在線性或傾斜運(yùn)動但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時處理直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，就需要使用陀螺儀和加速度計(jì)的方案。”

　　此外，為讓設(shè)計(jì)和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機(jī)械噪聲，或?yàn)樾Ｕ铀俣扔?jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商會使用磁力計(jì)來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能，以完成相應(yīng)定位，讓陀螺儀術(shù)業(yè)有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計(jì)或磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合的方案正成為MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢。

　　InvenSense的營銷總監(jiān)Doug Vargha亦為此表示：“若只使用傳統(tǒng)的加速度計(jì)，用戶得到的要么是反應(yīng)敏捷的但噪聲較大的輸出，要么是反應(yīng)慢但較純凈的輸出，而如將加速度計(jì)與陀螺儀相結(jié)合，就能得到既純凈又反應(yīng)敏捷的輸出。”

　　后記，MEMS陀螺儀大有可為

　　智能手機(jī)大廠HTC技術(shù)顧問Jidesh Veeramachaneni對此表示：“MEMS陀螺儀技術(shù)已成為智能手機(jī)開發(fā)者討論得最多的話題，預(yù)期在明年該技術(shù)將成為智能手機(jī)的標(biāo)配，用戶可以通過陀螺儀獲得包含游戲在內(nèi)的很多新的體驗(yàn)，例如你可用手機(jī)更方便地玩擊劍游戲。”為此，包含ST、InvenSense、Kionix、Bosch Sensortec、ADI、Freescale等在內(nèi)的廠商都紛紛投入這一市場，以期在未來的競爭中獲得更多的發(fā)言權(quán)，這預(yù)示著未來的MEMS陀螺儀市場將變得更精彩，MEMS產(chǎn)業(yè)的競爭將白熱化，三軸陀螺儀成本全面跌破1美元指日可待。當(dāng)然，除了在硬件配置上獲得突破性應(yīng)用外，相關(guān)游戲或程序開發(fā)廠商如何開發(fā)出能充分體現(xiàn)出這種特性應(yīng)用的程序也是關(guān)鍵，這亦將直接決定標(biāo)配有該功能的產(chǎn)品在市場上的受歡迎程度。