微机械陀螺仪的工作原理及其应用

本文详细介绍了意法半导体公司的电容式微机械陀螺仪的基本工作原理，其采用对称双质量块结构，驱动质量块由静电力驱动产生可控的运动速度，而检测质量块则由哥氏力推动运动。振荡驱动电路采用了双闭环的控制结构，有效地减小了温度或其它缺陷对振幅的影响，显著提高了陀螺仪的分辨率和稳定性。最后，以单轴偏航陀螺仪LY530AL为例，详细介绍其关键参数及其应用，并配合三轴加速度传感器LIS3LV02DL，实现了新型无线遥控器和鼠标，验证了LY530AL的性能参数。

微机械陀螺仪

陀螺仪又称角速度计可以用来检测旋转的角速度和角度。正如我们所熟知，传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而，这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件，而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度，因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产，具有成本低和体积小等特点。近年来，微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注，例如，陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等[1]。

微机械工艺的发展和成熟，使得微机械陀螺仪在消费电子中的广泛应用成为可能，并且已有相应的产品面世，如罗技的空中鼠标。这些都使业界相信微机械陀螺仪很快就会成为继微机械加速计之后用于动作感测的另一重要元件。鉴于此，意法半导体公司基于其先进的Thelma工艺先后开发并量产了超小型单轴偏航陀螺仪LISY300AL和LY530AL。LY530AL具有两种接口：模拟和数字接口，提高了设计的灵活性，简化了设计难度，可测角速率达到±300度/秒。本文以LY530AL为例讨论意法半导体微机械陀螺仪的工作原理及其应用。

图1，哥氏力现象。

微机械陀螺仪的工作原理

微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按式1计算[1]。

（1）

式中：F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。

图2，LY530AL单轴偏航陀螺仪结构

微机械陀螺仪LY530AL，它采用了对称的双质量块结构，如图2所示。滑块1和1’是检测质量块， 2和2’是驱动质量块，并且检测质量块是附着在驱动质量块之上。受限于结构件3，检测质量块能够被动的随驱动质量块沿驱动轴（X轴）运动，而在检测轴（Y轴）方向，检测质量块则能在哥氏力的作用下自由运动。所以检测质量块会有两个轴向运动，一个是随驱动质量块沿X轴的受限被动运动，另一个是由哥氏力牵引着在Y轴的自由运动。4（4’）和5（5’）分别是驱动电极和检测电极。[2]

根据式1，哥氏力产生的加速度为a(t)=2ΩZ×。振动速度为已知量，如果得到检测质量块上的哥氏力加速度a(t)，然后结合振动速度进行同步解调，就可以检测出XY坐标系的旋转角速度。这就是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。由于加速度的检测方法较为简单，而保持一个振幅和频率都恒定的振动速度却比较困难，所以振动速度χ(t)对角速度的检出起着关键作用。下面就LY530AL中振动驱动控制部分做一讨论。

检测质量块的位移方程为：

（2）

对式2求导可得振动速度方程：

（3）

图3, 驱动电路双闭环控制。

因此，维持了恒定的陀螺仪振幅χo，就能使振动的速度的χ(t)幅值χ0wd恒定。再根据式1可知，只要保持振动速度χ(t)的幅值恒定就能使哥氏力加速度与输入角速率Ω成线性变化关系。因此，检测质量块的振动频率和振幅直接决定陀螺仪的检测精度。检测质量块的驱动电路的主要功能是维持微机械陀螺振荡时恒定的幅值，即恒幅振荡。在早期的微机械陀螺仪中，驱动电路采用开环控制的方式，由外部的振荡器来驱动内部质量块的振动，此时的振幅往往会随温度的变化而变化，导致了振幅的不可控性，从而影响了微机械陀螺仪的检测精度的一致性。为此，后续的微机械陀螺仪中集成一个温度传感器，但是这样的解决方法非常受限，主要是因为振幅与温度变化之间的非线性，增加了校正的难度。

为解决上述问题，使驱动质量块做一个频率可控和幅度恒定的振动， LY530AL中驱动电路采用了双闭环的结构，并且采取离散的自动增益控制方式，如图3所示。在LY530AL

的驱动微机械的结构中，制作两种梳状电极：静电力驱动电极和振动速度检测电极，两个电极独立工作。静电力驱动电极用来产生静电力驱动检测质量块，控制内环通过该电极产生静电力驱动质量块进行恒频振动，但是只在内环的控制下，振幅是可以预知，但是不可控。为此，在内环路中引入了一个可变增益放大器（VGA）。振动速度检测电极测量质量块的峰值速度x(t)来获得振荡的幅度，经过跨阻放大器放大和PID校正后，控制可变增益放大器

（VGA），从而达到控制振幅的目的。并且为了后续的解调，锁相环（PLL）用来锁定跨阻放大器的输出端，产生一个用于解调的同步系统时钟CLKDEM。

图4，检测电路结构

由式1可知，所要检测的角速度ΩZ是调制在驱动质量块振动速度上的，因此在检测电路中需要采取与驱动电路同步的解调方式。对于检测质量块在检测轴上的运动采用了全差分开环的架构，如图4所示。齿状差分电容对产生的信号被电荷放大器放大后，和CLKDEM一起送入混合器中进行双边带抑制载波解调，然后经低通滤波器滤除高频信号，送入ADC或者直接输出，这样就得到了所要的角速度值。

实践证明，上述的驱动环路能够驱动质量块产生一个可控的振动频率和振幅，较好地解决了温度或者其它制作缺陷对检测振幅的影响，显著提高其检测精度。在-40°C到85°C 的温度范围内，LPR530AL的灵敏度控制在4%之内，零角速度输出只有5°/s。并且具有较快的启动速度和较短自恢复时间。

微机械陀螺仪的性能参数及应用

微机械陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出、灵敏度（Sensitivity）和测量范围，这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志，同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度，该参数和零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定，白噪声一般用°/s/√Hz来表征，LY530AL的白噪声只有：0.1°/s/√Hz。这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力，而对使用者而言，灵敏度更有实际的意义，其单位是mV/°/s，由此用户可选用适合的ADC来与之匹配。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大的角速度，单位是°/s，不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求，LY530AL的测量范围是±300°/s，能够适合大多数的应用。