MEMS陀螺儀的簡要介紹(性能參數和使用)

MEMS陀螺儀的簡要介紹（性能參數和使用）

工程師3 發表於 2018-05-08 16:25:00

MEMS傳感器市場浪潮可以從最早的汽車電子到近些年來的消費電子，和即將來到的物聯網時代。如今單一的傳感器已不能滿足人們對功能、智能的需要，像包括MEMS慣性傳感器、MEMS環境傳感器、MEMS光學傳感器、甚至生物傳感器等多種傳感器數據融合將成為新時代傳感器應用的趨勢。

工欲善其事，必先利其器，這裡就先以MEMS陀螺儀開始，簡要介紹一下MEMS陀螺儀、主要性能參數和使用。

傳統機械陀螺儀主要利用角動量守恆原理，即：對旋轉的物體，它的轉軸指向不會隨著承載它的支架的旋轉而變化。MEMS陀螺儀主要利用科裡奧利力（旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力）原理，公開的微機械陀螺儀均採用振動物體傳感角速度的概念，利用振動來誘導和探測科裡奧利力。

MEMS陀螺儀的核心是一個微加工機械單元，在設計上按照一個音叉機制共振運動，通過科裡奧利力原理把角速率轉換成一個特定感測結構的位移。以一個單軸偏移（偏航，YAW）陀螺儀為例，通過圖利探討最簡單的工作原理。

兩個相同的質量塊以方向相反的做水平震蕩，如水平方向箭頭所示。當外部施加一個角速率，就會出現一個科氏力，力的方向垂直於質量運動方向，如垂直方向箭頭所示。產生的科氏力使感測質量發生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為感測器感測部分的動電極（轉子）位於固定電極（定子）的側邊，上面的位移將會在定子和轉子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉化成一個專用電路可以檢測的電子參數---電容量。

下圖是一種MEMS陀螺儀的系統架構，，陀螺儀的訊號調節電路可以分為馬達驅動和加速度計感測電路兩個部分。其中，馬達驅動部分是透過靜電引動方法，使驅動電路前後振動，為機械元件提供激勵；而感測部分透過測量電容變化來測量科氏力在感測質量上產生的位移。

當然，MEMS陀螺儀還具有其它功能模塊，比如自檢功能電路，低功耗以及運動喚醒電路等等。

下面主要介紹MEMS陀螺儀的主要性能參數。

量程（動態範圍） DYNANMIC RANGE

靈敏度 SENSORTIVITY RESOLUTION

零角速度輸出（零位輸出）ZERO OUTPUT

軸間交調靈敏度 INTER AXIS sensitivity

刻度因子

非線性度

線性加速度敏感度

振動敏感度

零偏穩定性

噪聲密度

角度隨意遊走系統

帶寬

偏置電壓靈敏度

自檢功能

功耗

衝擊生存能力

工作溫度範圍

封裝誤差

陀螺儀的量程通常以正、反方向輸入角速率的最大值來表示，比如：+/-300 degree/sec。該值越大表示陀螺儀敏感角速率的能力越強，在此輸入角速率範圍內，陀螺儀刻度因子非線性度能滿足規定要求，通常陀螺儀的量程是可以配置的。

靈敏度（解析度）表示在規定的輸入角速率下能感知的最小輸入角速率的增量，比如：0.05 degree/sec/LSB。一般而言MEMS陀螺儀的測量範圍越大，靈敏度會相應降低。

刻度因子（標度因數）是指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。這個比值是用一特定的直線斜率表示的，該直線是根據整個輸入角速率範圍內測得的輸入、輸出數據，用最小二乘法擬合求得。

非線性度是在輸入角速率範圍內，陀螺儀輸出量相對最小二乘法擬合直線的最大的偏差與最大輸出量之比，表徵了陀螺儀實際輸入和輸出數據的偏離程度，決定了該擬合數據的可信度。

線性加速度靈敏度反映的是陀螺儀對加速度的敏感程度，單位是degree/sec/g。

振動敏感度是指陀螺儀對振動的敏感程度，單位是degree/sec/g2。陀螺儀對線性加速度和振動越不敏感，那麼陀螺儀的性能越好，構建的算法也就越有效。

零偏是指陀螺儀在零輸入狀態下的輸出，其用較長時間輸出的均值等效折算為輸入角速率來表示，也就是觀測值圍繞零偏的離散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒會漂0.005 degree。在零輸入狀態下的長時間穩態輸出是一個平穩的隨機過程，即穩態輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動，習慣上用均方差來表示，這種均方差被定義為零偏穩定性。而初始零偏誤差可以理解為靜態誤差，它不會隨時間的波動，可以用過軟體校準。

當陀螺儀處於零輸入狀態時，脫落的輸出信號為白噪聲和慢變隨機函數的疊加。漫變隨機函數可用來確定零偏和零偏穩定性指標，白噪聲定義為單位檢測帶寬平方根下等價旋轉角速度的標準偏差，單位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。這個白噪聲也可以用單位為 degree/√Hz 的角度隨意遊走係數來表示，隨機遊走係數是指由白噪聲產生的隨時間積累的陀螺儀輸出誤差係數。當外界條件基本不變詩，可以認為上面所分析的各種噪聲的主要統計特性是不隨時間推移而變化的。

偏置電壓靈敏度是指陀螺儀的輸出對供電電源變化的敏感程度，比如：0.03degree/sec/V，即供電電源每變化1V，輸出角速率變化多少。

帶寬是指陀螺儀能夠精確測量輸入的角速率的頻率範圍，這個範圍越大表明陀螺儀的動態響應能力越強。

自檢功能在使用前自動測試器件的機械和CMOS電路部分，以提供系統的魯棒性。

功耗包括陀螺儀在不同解析度或不同數據輸出率下運行時的功耗，休眠功耗。在低功耗應用像可穿戴、物聯網應用等領域這個指標尤為重要。

衝擊生存能力指陀螺儀承受不同程度下加速度衝擊的能力，比如：2000g加速度衝擊後陀螺儀保證系統正常工作。考慮到陀螺儀的應用環境可能會收到較大的衝擊時，這個指標尤為重要，一般陀螺儀受到超過它的加速度承受範圍會掛掉，必須重啟上電後才能正常工作。

MEMS陀螺儀的機械架構決定了溫度會影響數據的輸出，而超過工作溫度範圍可能會導致數據輸出產生較大的偏差。

封裝誤差是裸片對角線和封裝對角線的夾角。

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