本文詳細介紹了意法半導體公司的電容式微機械陀螺儀的基本工作原理，其采用對稱雙質量塊結構，驅動質量塊由靜電力驅動產生可控的運動速度，而檢測質量塊則由哥氏力推動運動。振蕩驅動電路采用了雙閉環的控制結構，有效地減小了溫度或其它缺陷對振幅的影響，顯著提高了陀螺儀的分辨率和穩定性。最后，以單軸偏航陀螺儀LY530AL為例，詳細介紹其關鍵參數及其應用，并配合三軸加速度傳感器LIS3LV02DL，實現了新型無線遙控器和鼠標，驗證了LY530AL的性能參數。
微機械陀螺儀
陀螺儀又稱角速度計可以用來檢測旋轉的角速度和角度。正如我們所熟知，傳統的機械式陀螺、精密光纖陀螺和激光陀螺等已經在航空、航天或其它軍事領域得到了廣泛地應用。然而，這些陀螺儀由于成本太高和體積太大而不適合應用于消費電子中。微機械陀螺儀由于內部無需集成旋轉部件，而是通過一個由硅制成的振動的微機械部件來檢測角速度，因此微機械陀螺儀非常容易小型化和批量生產，具有成本低和體積小等特點。近年來，微機械陀螺儀在很多應用中受到密切地關注，例如，陀螺儀配合微機械加速度傳感器用于慣性導航、在數碼相機中用于穩定圖像、用于電腦的無線慣性鼠標等等[1]。
微機械工藝的發展和成熟，使得微機械陀螺儀在消費電子中的廣泛應用成為可能，并且已有相應的產品面世，如羅技的空中鼠標。這些都使業界相信微機械陀螺儀很快就會成為繼微機械加速計之后用于動作感測的另一重要元件。鑒于此，意法半導體公司基于其先進的Thelma工藝先后開發并量產了超小型單軸偏航陀螺儀LISY300AL和LY530AL。LY530AL具有兩種接口：模擬和數字接口，提高了設計的靈活性，簡化了設計難度，可測角速率達到±300度/秒。本文以LY530AL為例討論意法半導體微機械陀螺儀的工作原理及其應用。
圖1，哥氏力現象。
微機械陀螺儀的工作原理
微機械陀螺儀利用了哥氏力現象，其原理如圖1所示。當圖中的物體沿X軸做周期性振動或其他運動時，并且XY坐標系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉運動，就會在該物體上產生一個沿Y軸方向的哥氏力，其矢量可按式1計算[1]。
（1）
式中：F(t)是哥氏力，m是該物體的質量，ΩZ是坐標系旋轉的角速度，是該物體的矢量速度。
圖2，LY530AL單軸偏航陀螺儀結構
微機械陀螺儀LY530AL，它采用了對稱的雙質量塊結構，如圖2所示。滑塊1和1’是檢測質量塊， 2和2’是驅動質量塊，并且檢測質量塊是附著在驅動質量塊之上。受限于結構件3，檢測質量塊能夠被動的隨驅動質量塊沿驅動軸（X軸）運動，而在檢測軸（Y軸）方向，檢測質量塊則能在哥氏力的作用下自由運動。所以檢測質量塊會有兩個軸向運動，一個是隨驅動質量塊沿X軸的受限被動運動，另一個是由哥氏力牽引著在Y軸的自由運動。4（4’）和5（5’）分別是驅動電極和檢測電極。[2]
根據式1，哥氏力產生的加速度為a(t)=2ΩZ×。振動速度為已知量，如果得到檢測質量塊上的哥氏力加速度a(t)，然后結合振動速度進行同步解調，就可以檢測出XY坐標系的旋轉角速度。這就是微機械振動陀螺儀的基本工作過程。由于加速度的檢測方法較為簡單，而保持一個振幅和頻率都恒定的振動速度卻比較困難，所以振動速度χ(t)對角速度的檢出起著關鍵作用。下面就LY530AL中振動驅動控制部分做一討論。
檢測質量塊的位移方程為：
（2）
對式2求導可得振動速度方程：
（3）
圖3, 驅動電路雙閉環控制。
因此，維持了恒定的陀螺儀振幅χo，就能使振動的速度的χ(t)幅值χ0wd恒定。再根據式1可知，只要保持振動速度χ(t)的幅值恒定就能使哥氏力加速度與輸入角速率Ω成線性變化關系。因此，檢測質量塊的振動頻率和振幅直接決定陀螺儀的檢測精度。檢測質量塊的驅動電路的主要功能是維持微機械陀螺振蕩時恒定的幅值，即恒幅振蕩。在早期的微機械陀螺儀中，驅動電路采用開環控制的方式，由外部的振蕩器來驅動內部質量塊的振動，此時的振幅往往會隨溫度的變化而變化，導致了振幅的不可控性，從而影響了微機械陀螺儀的檢測精度的一致性。為此，后續的微機械陀螺儀中集成一個溫度傳感器，但是這樣的解決方法非常受限，主要是因為振幅與溫度變化之間的非線性，增加了校正的難度。
為解決上述問題，使驅動質量塊做一個頻率可控和幅度恒定的振動， LY530AL中驅動電路采用了雙閉環的結構，并且采取離散的自動增益控制方式，如圖3所示。在LY530AL的驅動微機械的結構中，制作兩種梳狀電極：靜電力驅動電極和振動速度檢測電極，兩個電極獨立工作。靜電力驅動電極用來產生靜電力驅動檢測質量塊，控制內環通過該電極產生靜電力驅動質量塊進行恒頻振動，但是只在內環的控制下，振幅是可以預知，但是不可控。為此，在內環路中引入了一個可變增益放大器（VGA）。振動速度檢測電極測量質量塊的峰值速度x(t)來獲得振蕩的幅度，經過跨阻放大器放大和PID校正后，控制可變增益放大器（VGA），從而達到控制振幅的目的。并且為了后續的解調，鎖相環（PLL）用來鎖定跨阻放大器的輸出端，產生一個用于解調的同步系統時鐘CLKDEM。
圖4，檢測電路結構
由式1可知，所要檢測的角速度ΩZ是調制在驅動質量塊振動速度上的，因此在檢測電路中需要采取與驅動電路同步的解調方式。對于檢測質量塊在檢測軸上的運動采用了全差分開環的架構，如圖4所示。齒狀差分電容對產生的信號被電荷放大器放大后，和CLKDEM一起送入混合器中進行雙邊帶抑制載波解調，然后經低通濾波器濾除高頻信號，送入ADC或者直接輸出，這樣就得到了所要的角速度值。
實踐證明，上述的驅動環路能夠驅動質量塊產生一個可控的振動頻率和振幅，較好地解決了溫度或者其它制作缺陷對檢測振幅的影響，顯著提高其檢測精度。在-40°C到85°C的溫度范圍內，LPR530AL的靈敏度控制在4%之內，零角速度輸出只有5°/s。并且具有較快的啟動速度和較短自恢復時間。
微機械陀螺儀的性能參數及應用
微機械陀螺儀的重要參數包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍，這些參數是評判微機械陀螺儀性能的重要標志，同時也決定了該陀螺儀的應用環境。分辨率是指陀螺儀能夠檢測的最小的角速度，該參數和零角速度輸出其實是由陀螺儀的白噪聲決定，白噪聲一般用°/s/√Hz來表征，LY530AL的白噪聲只有：0.1°/s/√Hz。這三個參數著重說明該陀螺的內部性能和其抗干擾能力，而對使用者而言，靈敏度更有實際的意義，其單位是mV/°/s，由此用戶可選用適合的ADC來與之匹配。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的最大的角速度，單位是°/s，不同的應用對陀螺儀的測量范圍有不同的要求，LY530AL的測量范圍是±300°/s，能夠適合大多數的應用。
圖5, LY530AL典型應用電路圖
LY530AL典型應用電路如圖5所示，它提供兩種接口：模擬或者數字接口（I2C/SPI），可以通過管腳5來選擇所希望的接口方式。在上文中已經提到，LY530AL需要一個鎖相環來同步驅動和檢測兩部分電路，C1、C2和R1為鎖相環所需一個二階低通濾波器[4]。
如圖5中所示，LY530AL在模擬輸出端集成了兩個一階片上濾波器用來濾除高頻信號：開關電容低通濾波器（截至頻率：400Hz）和一個有源濾波器。有源濾波器的電阻為180kΩ，已經集成在芯片內部，使用時需要外接電容CACT來設置截至頻率計算方法如式4。如果上述兩級低通還不能濾除高頻噪聲，LY530AL還支持外接ROPT和COPT構成的低通濾波器。當LY530AL與ADC之間走線較長時，其中還可加入運算放大器增強其驅動能力來符合ADC對輸入信號的要求。
（4）
對于便攜式設備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機的時間。在使用其模擬接口時，LY530AL消耗電流典型值為：4.8mA，并還設置有一個PD管腳，控制其在待機時進入掉電模式，在該模式下消耗電流小于1μA。由于微機械陀螺儀內部有振蕩的微機械部分，LY530AL還設有自測的功能，能夠自行檢測其內部的微機械部分是否正常。在使用模擬接口時，通過ST管腳來啟動自測功能，這時芯片內部會產生一個靜電力作用在微機械部分上，來模擬一定的哥氏力，輸出電壓也會隨之變化。如果電壓的變化值在一定的范圍之內，說明芯片內部的微機械結構工作正常。
圖6, STM32-Primer2外形圖
圖7，STM32-Primer2擴展連接器接口
微機械陀螺儀在新型鼠標或遙控器中的應用
STM32-PRIMER2是STM最新的STM32開發工具，如圖6所示，其配置了128×160像素的彩色觸摸屏顯示器、方向控制按鍵、USB接口、外部擴展連接器、MEMS加速度傳感器等，通過內置的開源CircleOS軟件框架，用戶可以輕松地管理所有組件[6]。為支持更多的外設，STM32-PRIMER2提供了20針的擴展連接器，其中包括一個UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口等，如圖7所示。 同時其采用了STM公司的高精度加速度傳感器LIS3LV02DL，加速度分辨率可達到1mg。為驗證LY530AL的性能，通過STM32-PRIMER2的20針的擴展連接器，構建如圖8所示的測試系統。
圖8，LY530AL評估系統框圖
該評估系統無線通訊部分采用STM的藍牙收發模塊GS-BT2416C2通過UART接口和主處理器STM32F103VET6進行通訊；采用了兩顆LY530AL分別檢測Yaw和Pitch上的轉動，一顆水平放置，另一顆垂直主板放置，分別通過SPI接口和主處理器進行通訊；三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來檢測遙控器在XYZ三個軸上的水平移動，主處理器STM32F103VET6負責數據的采集和處理。
該評估系統經藍牙與筆記本相連接進行驗證，其具有很好的靈敏度和響應速度，在使用過程中不存在光標漂移現象，完全可以取代傳統的鼠標。再與機頂盒連接測試時，相較于現有復雜的多按鍵遙控器，具有更好的直觀性，只需要利用3至5個按鍵，就可以對選單目錄進行操控。
結論
本文介紹意法半導體微機械陀螺儀LY530AL的基本工作原理和使用方法，通過對驅動電路采用雙閉環控制，有效解決溫度等因素對陀螺儀檢測精度的影響。討論了LY530AL的主要參數以及它們在不同應用中的注意事項，最后LY530AL陀螺儀結合STM32評估測試板STM32-PRIMER2，實現了新型遙控器和空中鼠標，驗證LY530AL的性能。 |
