MEMS陀螺仪在消费电子中的应用

-1-MEMS陀螺仪在消费电子中的应用xxxx（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：MEMS陀螺仪是MEMS器件中非常重要的一类器件。它的研究已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车、消费电子行业等低端市场，这意味这MEMS陀螺仪已经成为大众日益接触的产品了，所以，现在MEMS的研究也必须结合这一趋势，发展出更好的，更低成本的，更多不同功能的消费级MEMS陀螺仪。这篇文章介绍了MEMS陀螺仪在消费电子领域的应用，首先是介绍了MEMS陀螺仪一些性能参数和基本的原理，然后结合消费电子领域，谈了MEMS陀螺仪的发展与应用。最后总结一下未来MEMS陀螺仪的发展趋势。关键词：微机电系统，陀螺仪，消费电子MEMSgyroscopesinconsumerelectronicsxxxxx(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:MEMSgyroscopesplayasignificantroleintheMEMSapparatus.Fromaviationfields,itsapplicationhasgraduallyshiftedtothelow-endmarket,suchasautomobileandconsumerelectronics,whichmeansordinarypeoplegettoMEMSgyroscopesineverydaylife.So,thecurrentresearchinMEMSgyroscopeshouldmergeinthistrendtodevelopbetter,lowercostgyroscopeswithmoredifferentfunctionsinconsumerelectronics.ThispapermainintroduceMEMSgyroscopesinconsumerelectronics.atfirst,thispaperintroducethebasicprincipleandperformanceparametersoftheMEMSgyroscope.thentalkaboutthedevelopmentandtheapplicationinelectronics.atlast,summarizethethetrendinfuturedevelopment.Keywords:MEMS;gyroscope;consumerelectronics0引言微机械电子系统（micro-electro-mechanical-system，MEMS）技术是建立在微米，纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米,纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。利用MEMS技术制造的东西具有体积小，能够批量生产，从而使成本大大降低。而陀螺仪就是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的角运动检测装置。传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随着承载它的支架的旋转而变化。但是MEMS陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动结构并不容易。根据微陀螺-2-仪的原理不同,可以将其分为哥氏加速度效应微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、悬浮转子式微陀螺、微集成光学式陀螺以及原子陀螺。目前，由于MEMS陀螺仪的很多优良特性，它已经应用在很多领域了，包括汽车，生物医学仪器，消费电子，工业控制等等【1】【2】。在与日常生活密切相关的消费电子领域，MEMS陀螺仪也扮演着越来越重要的角色，近几十年的研究也使得消费电子领域MEMS陀螺仪的应用与表现更加出色。现在MEMS陀螺仪广泛出现在手机、数码相机、平板电脑、游戏控制器、音乐播放器、智能玩具、空中鼠标、3D遥控器等消费电子领域，逐渐成为消费电子产品实现功能创新不可或缺的关键元器件和必备配置。MEMS陀螺仪产业也成为市场上最具成长性的产业之一【3】。1MEMS陀螺仪1.1参数指标零偏漂移、角随机游走是确定微陀螺性能的主要指标。当陀螺处于零输入状态时,陀螺的输出信号是一个随机函数,为白噪声和一个慢变随机函数的叠加。设备的稳定性由系统白噪声所决定,而其慢变随机函数可用来确定零漂或零偏稳定性指标。速率级和战术级的陀螺只能用于测量相对短时间内的角速度,其角随机游走成为了限制其发展的主要因素。而惯性级陀螺可以用于测量系统长期的表现,零漂就成了这种陀螺的关键指标。世界上已经研发出来的微陀螺仪还没有可以达到惯性级的表现。大多数商业应用也只是局限在提高速率级MEMS微陀螺的指标。极少数的几个组织,如美国的Draper实验室和JPL实验室等,究成功了真正达到战术级的陀螺仪。不同级别陀螺的性能指标如表1所示[4][5]。由于消费电子产品对MEMS陀螺仪的主要要求是单价低、尺寸小、温度范围窄，精度要求并不作为主要规格，因此对使用者而言，灵敏度和测量范围更具有实际的选择意义。其主要指标如表2所示【6】。表1不同级别陀螺仪的性能指标Tab.1Performancerequirementsofgyroscopeswithdifferentclasses性能指标速率级战术级惯性级零漂/(°.h-1)10~10000.1~100.01随机游走/（°·h-1/2）0.50.5~0.050.001标度因子/%0.1~10.01~0.10.001最大输入角速度/（°·s-1）50~10005004001ms内承受最大冲击/(g·s)103103~104103带宽/Hz70约100约100成本/$50~100010000~50000100000应用范围照相机、医学仪器、游戏、汽车等商业姿态航向参考系统（AHRS），制导弹药等商业/军用飞机、船舶、航天器等表2消费级陀螺仪MEMS的主要应用指标Tab.2MainapplicationindexofMEMSgyroscopeforconsumerelectronics典型应用图像稳定导航3D导航游戏控制器陀螺仪灵敏度20~50mV/°/s4~15mV/°/s2mV/°/s0.5mV/°/s及更高陀螺仪满量程范围20~45°/s50~67°/s500°/s2000°/s及更高-3-1.2基本原理目前市场上出现的消费类电子产品的陀螺仪绝大部分是采用科里奥利力（Coriolisforce）效应来测量运动物体角速率原理的。图1展示了基于科里奥利力效应的陀螺仪的典型结构。检测的质量m分别由两组弹簧支撑。假设X轴为驱动力的方向，Y轴为传感方向，并且x=Axcos(ωxt),这里Ax是振幅，ωx是驱动角速度。当绕着Z轴有一个输入的旋转角速度，就会沿着Y轴产生科里奥利加速度：txxAysina22y我们可以沿着Y轴增加位移以方便的检测角速度。通过计算，当两个模量一样，即ωx=ωy时，沿着Y轴的振幅会达到最大值，而带宽达到最小值。通常来说，我们应该使驱动模和传感模不一样以最优化灵敏度和带宽【7】。图1典型的力学模式的科里奥利加速度figure1TypicalmechanicsmodeofCoriolisacceleration.目前市面上的MEMS陀螺仪多数采用一种调音叉结构。这种结构由两个振动并不断做反向运动的物体组成，如图2所示。当施加角速度时，每个物体上的科里奥利效应产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速度成正比，如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号；如果是数字陀螺仪，则转换成最低有效位。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同一方向运动。因此，不会检测到电容变化。陀螺仪将输出零速率输出值或最低有效位，表示MEMS陀螺仪对倾斜、撞击或振动等线性加速度不敏感【6】。-4-图2当施加角速度时figure2whenangularvelocityapplied2MEMS陀螺仪在消费电子中的应用领域与关键技术2.1主要应用领域MEMS陀螺仪的第一个市场化应用目标是在数字相机领域—数码相机使用陀螺仪检测人手抖动，能够对图像起到稳定作用。目前在五百万像素以上的数码相机和数码摄像机产品中，几乎都内置有MEMS陀螺仪。2006年日本任天堂公司在Wii游戏机中嵌入MEMS陀螺仪（InvenSense公司生产的IDG—600双轴陀螺仪），通过运动跟踪和手势识别，将游戏机传统的按键控制变成人体动作控制，带给玩家真实的游戏体验。这款革命性的应用使Wii游戏机的销量迅速上升，游戏设备开始竟如陀螺仪技术支撑的体感操纵时代。2010年，苹果公司在iPhone4手机中率先内置MEMS陀螺仪，标志着MEMS陀螺仪正式进入手机这一全球最大的消费应用市场。MEMS陀螺仪的应用，令手机游戏方面的重力感应特性更加突出和直观，用户可以简单地只凭手势就可以玩打乒乓球、打高尔夫、打枪、开车、开船、开飞机等复杂的需要姿势控制的游戏。随着iPhone4风靡全球，手机市场迅速掀起了讲MEMS陀螺仪整合进智能手机的应用浪潮。图3左图红色部分即为iPhone4手机中采用的意法半导体公司（ST）的MEMS陀螺仪芯片，右图为乔布斯在演示陀螺仪的应用。在智能玩具市场，内置有MEMS陀螺仪的玩具有遥控飞机、悬浮飞碟以及平衡机车等。遥控飞机在陀螺仪的帮助下可以实现悬停并翻转；悬浮飞碟和平衡机车主要是采用陀螺仪记录角运动数据，然后通过内部的补偿装置使设备保持平衡。在用于电视、家庭剧院、机顶盒及个人计算机的3D遥控器与鼠标中配置MEMS陀螺仪，可以将传统遥控器所需六到十个按钮的步骤在一个动作以内完成，单手动作即可快速翻阅电影名单以及简单的倾斜遥控器来调整适当的音量【8】。-5-图3，左：装有MEMS陀螺仪的iPhone4，右：乔布斯在发布会演示陀螺仪的应用Figure3，left：iPhone4equippedwithMEMSgyroscope,right:JobsshowstheappdrovebyMEMSgyroscopechip2.2实现产业化的关键技术工艺随着消费电子产品向智能化、体积轻薄化方向发展，市场对MEMS陀螺仪的需求日益旺盛，同时有对产品的单价、尺寸和功耗提出更加苛刻的要求。MEMS陀螺仪在小型化、低功耗、低成本方面取得巨大进步，成功冲破了小型化封装和大规模生产的障碍，并将陀螺仪的成本将至每轴0.7美元以下。（1）系统架构的创新面对应用方式的不同，当前市场撒谎能够的MEMS陀螺仪除了传统的单轴陀螺仪和双轴陀螺仪，还有三轴陀螺仪、双核处理器三轴陀螺仪以及将陀螺仪和加速度计组合使用的惯性测量单元（IMU）。单轴陀螺仪主要检测偏摆方向，双轴陀螺仪则用于检测俯仰方向与摇摆方向，这两种陀螺仪主要用于游戏机、输入设备、导航仪、PND及数码相机等。三轴MEMS陀螺仪的出现则扩大了在消费电子产品中应用机会和范围。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，让用户玩旋转的、有角度变化的动作游戏。最早的三轴陀螺仪解决方案是在一个硅基片上实现两个或三个独立的感应结构，而ST公司自2010年推出L3G4200D型三轴陀螺仪开始，采用三轴共享一个感应结构的创新设计，彻底解决了轴与轴之间的信号干扰的问题，从而大幅度提升了测量精度和可靠性，让手机、平板电脑、游戏机等消费电子产品的运动用户界面变得更趋真实。图4，左：三轴MEMS陀螺仪原理图，右：ST公司L3G4200D三轴陀螺仪Figure4，left：three-axisMEMSgyroscope,right:L3G4200DMEMSgyroscopebySTInc.MEMS陀螺仪能够检测沿一个轴或几个轴的角速度，要准确的描述线性（直线运动）和旋转运动，就需要同时用到陀螺仪和加速度计，形成惯性测量单元（IMU）。通过组合陀螺仪和加速度计，能够-6-更好的追踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感