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(chēng)雙質(zhì)量塊結構，驅動(dòng)質(zhì)量塊由靜電力驅動(dòng)產(chǎn)生可控的運動(dòng)速度，而檢測質(zhì)量塊則由哥氏力推動(dòng)運動(dòng)。振蕩驅動(dòng)電路采用了雙閉環(huán)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(zhù)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(guān)鍵參數及其應用，并配合三軸加速度傳感器LIS3LV02DL，實(shí)現了新型無(wú)線(xiàn)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(chēng)角速度計可以用來(lái)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(jīng)在航空、航天或其它軍事領(lǐng)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(wú)需集成旋轉部件，而是通過(guò)一個(gè)由硅制成的振動(dòng)的微機械部件來(lái)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(chǎn)，具有成本低和體積小等特點(diǎn)。近年來(lái)，微機械陀螺儀在很多應用中受到密切地關(guān)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(wú)線(xiàn)慣性鼠標等等[1]。

　　微機械工藝的發(fā)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(chǎn)品面世，如羅技的空中鼠標。這些都使業(yè)界相信微機械陀螺儀很快就會(huì )成為繼微機械加速計之后用于動(dòng)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(jìn)的Thelma工藝先后開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)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(jiǎn)化了設計難度，可測角速率達到±300度/秒。本文以L(fǎng)Y530AL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(dòng)或其他運動(dòng)時(shí)，并且XY坐標系沿Z軸做角速度為Ωz旋轉運動(dòng)，就會(huì )在該物體上產(chǎn)生一個(gè)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(zhì)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(chēng)的雙質(zhì)量塊結構，如圖2所示�；瑝K1和1’是檢測質(zhì)量塊， 2和2’是驅動(dòng)質(zhì)量塊，并且檢測質(zhì)量塊是附著(zhù)在驅動(dòng)質(zhì)量塊之上。受限于結構件3，檢測質(zhì)量塊能夠被動(dòng)的隨驅動(dòng)質(zhì)量塊沿驅動(dòng)軸（X軸）運動(dòng)，而在檢測軸（Y軸）方向，檢測質(zhì)量塊則能在哥氏力的作用下自由運動(dòng)。所以檢測質(zhì)量塊會(huì )有兩個(gè)軸向運動(dòng)，一個(gè)是隨驅動(dòng)質(zhì)量塊沿X軸的受限被動(dòng)運動(dòng)，另一個(gè)是由哥氏力牽引著(zhù)在Y軸的自由運動(dòng)。4（4’）和5（5’）分別是驅動(dòng)電極和檢測電極。[2]
根據式1，哥氏力產(chǎn)生的加速度為a(t)=2ΩZ×。振動(dòng)速度為已知量，如果得到檢測質(zhì)量塊上的哥氏力加速度a(t)，然后結合振動(dòng)速度進(jìn)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(dòng)陀螺儀的基本工作過(guò)程。由于加速度的檢測方法較為簡(jiǎn)單，而保持一個(gè)振幅和頻率都恒定的振動(dòng)速度卻比較困難，所以振動(dòng)速度χ(t)對角速度的檢出起著(zhù)關(guān)鍵作用。下面就LY530AL中振動(dòng)驅動(dòng)控制部分做一討論。

　　檢測質(zhì)量塊的位移方程為：

　   （2）

　　對式2求導可得振動(dòng)速度方程：

　   （3）

圖3, 驅動(dòng)電路雙閉環(huán)控制。

　　因此，維持了恒定的陀螺儀振幅χo，就能使振動(dòng)的速度的χ(t)幅值χ0wd恒定。再根據式1可知，只要保持振動(dòng)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(xiàn)性變化關(guān)系。因此，檢測質(zhì)量塊的振動(dòng)頻率和振幅直接決定陀螺儀的檢測精度。檢測質(zhì)量塊的驅動(dòng)電路的主要功能是維持微機械陀螺振蕩時(shí)恒定的幅值，即恒幅振蕩。在早期的微機械陀螺儀中，驅動(dòng)電路采用開(kāi)環(huán)控制的方式，由外部的振蕩器來(lái)驅動(dòng)內部質(zhì)量塊的振動(dòng)，此時(shí)的振幅往往會(huì )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(gè)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(xiàn)性，增加了校正的難度。

　　為解決上述問(wèn)題，使驅動(dòng)質(zhì)量塊做一個(gè)頻率可控和幅度恒定的振動(dòng)， LY530AL中驅動(dòng)電路采用了雙閉環(huán)的結構，并且采取離散的自動(dòng)增益控制方式，如圖3所示。在LY530AL的驅動(dòng)微機械的結構中，制作兩種梳狀電極：靜電力驅動(dòng)電極和振動(dòng)速度檢測電極，兩個(gè)電極獨立工作。靜電力驅動(dòng)電極用來(lái)產(chǎn)生靜電力驅動(dòng)檢測質(zhì)量塊，控制內環(huán)通過(guò)該電極產(chǎn)生靜電力驅動(dòng)質(zhì)量塊進(jìn)行恒頻振動(dòng)，但是只在內環(huán)的控制下，振幅是可以預知，但是不可控。為此，在內環(huán)路中引入了一個(gè)可變增益放大器（VGA）。振動(dòng)速度檢測電極測量質(zhì)量塊的峰值速度x(t)來(lái)獲得振蕩的幅度，經(jīng)過(guò)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(huán)（PLL）用來(lái)鎖定跨阻放大器的輸出端，產(chǎn)生一個(gè)用于解調的同步系統時(shí)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(dòng)質(zhì)量塊振動(dòng)速度上的，因此在檢測電路中需要采取與驅動(dòng)電路同步的解調方式。對于檢測質(zhì)量塊在檢測軸上的運動(dòng)采用了全差分開(kāi)環(huán)的架構，如圖4所示。齒狀差分電容對產(chǎn)生的信號被電荷放大器放大后，和CLKDEM一起送入混合器中進(jìn)行雙邊帶抑制載波解調，然后經(jīng)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(shí)踐證明，上述的驅動(dòng)環(huán)路能夠驅動(dòng)質(zhì)量塊產(chǎn)生一個(gè)可控的振動(dòng)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(zhù)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(dòng)速度和較短自恢復時(shí)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(shí)也決定了該陀螺儀的應用環(huán)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(shí)是由陀螺儀的白噪聲決定，白噪聲一般用°/s/√Hz來(lái)表征，LY530AL的白噪聲只有：0.1°/s/√Hz。這三個(gè)參數著(zhù)重說(shuō)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(shí)際的意義，其單位是mV/°/s，由此用戶(hù)可選用適合的ADC來(lái)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(guò)管腳5來(lái)選擇所希望的接口方式。在上文中已經(jīng)提到，LY530AL需要一個(gè)鎖相環(huán)來(lái)同步驅動(dòng)和檢測兩部分電路，C1、C2和R1為鎖相環(huán)所需一個(gè)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(gè)一階片上濾波器用來(lái)濾除高頻信號：開(kāi)關(guān)電容低通濾波器（截至頻率：400Hz）和一個(gè)有源濾波器。有源濾波器的電阻為180kΩ，已經(jīng)集成在芯片內部，使用時(shí)需要外接電容CACT來(lái)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(xiàn)較長(cháng)時(shí)，其中還可加入運算放大器增強其驅動(dòng)能力來(lái)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(shí)間。在使用其模擬接口時(shí)，LY530AL消耗電流典型值為：4.8mA，并還設置有一個(gè)PD管腳，控制其在待機時(shí)進(jìn)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(shí)，通過(guò)ST管腳來(lái)啟動(dòng)自測功能，這時(shí)芯片內部會(huì )產(chǎn)生一個(gè)靜電力作用在微機械部分上，來(lái)模擬一定的哥氏力，輸出電壓也會(huì )隨之變化。如果電壓的變化值在一定的范圍之內，說(shuō)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(kāi)發(fā)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(guò)內置的開(kāi)源CircleOS軟件框架，用戶(hù)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(gè)UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口等，如圖7所示。 同時(shí)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(guò)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(wú)線(xiàn)通訊部分采用STM的藍牙收發(fā)模塊GS-BT2416C2通過(guò)UART接口和主處理器STM32F103VET6進(jìn)行通訊；采用了兩顆LY530AL分別檢測Yaw和Pitch上的轉動(dòng)，一顆水平放置，另一顆垂直主板放置，分別通過(guò)SPI接口和主處理器進(jìn)行通訊；三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來(lái)檢測遙控器在XYZ三個(gè)軸上的水平移動(dòng)，主處理器STM32F103VET6負責數據的采集和處理。

　　該評估系統經(jīng)藍牙與筆記本相連接進(jìn)行驗證，其具有很好的靈敏度和響應速度，在使用過(guò)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(shí)，相較于現有復雜的多按鍵遙控器，具有更好的直觀(guān)性，只需要利用3至5個(gè)按鍵，就可以對選單目錄進(jìn)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(guò)對驅動(dòng)電路采用雙閉環(huán)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(shí)現了新型遙控器和空中鼠標，驗證LY530AL的性能。