MEMS陀螺儀的簡(jiǎn)要介紹（性能參數(shù)和使用）

MEMS傳感器市場(chǎng)浪潮可以從最早的汽車電子到近些年來(lái)的消費(fèi)電子，和即將來(lái)到的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。如今單一的傳感器已不能滿足人們對(duì)功能、智能的需要，像包括MEMS慣性傳感器、MEMS環(huán)境傳感器、MEMS光學(xué)傳感器、甚至生物傳感器等多種傳感器數(shù)據(jù)融合將成為新時(shí)代傳感器應(yīng)用的趨勢(shì)。

工欲善其事，必先利其器，這里就先以MEMS陀螺儀開始，簡(jiǎn)要介紹一下MEMS陀螺儀、主要性能參數(shù)和使用。

傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀主要利用角動(dòng)量守恒原理，即：對(duì)旋轉(zhuǎn)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不會(huì)隨著承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。MEMS陀螺儀主要利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力）原理，公開的微機(jī)械陀螺儀均采用振動(dòng)物體傳感角速度的概念，利用振動(dòng)來(lái)誘導(dǎo)和探測(cè)科里奧利力。

MEMS陀螺儀的核心是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制共振運(yùn)動(dòng)，通過(guò)科里奧利力原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感測(cè)結(jié)構(gòu)的位移。以一個(gè)單軸偏移（偏航，YAW）陀螺儀為例，通過(guò)圖利探討最簡(jiǎn)單的工作原理。

兩個(gè)相同的質(zhì)量塊以方向相反的做水平震蕩，如水平方向箭頭所示。當(dāng)外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)科氏力，力的方向垂直于質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方向，如垂直方向箭頭所示。產(chǎn)生的科氏力使感測(cè)質(zhì)量發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)楦袦y(cè)器感測(cè)部分的動(dòng)電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)在定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成一個(gè)專用電路可以檢測(cè)的電子參數(shù)---電容量。

下圖是一種MEMS陀螺儀的系統(tǒng)架構(gòu)，，陀螺儀的訊號(hào)調(diào)節(jié)電路可以分為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和加速度計(jì)感測(cè)電路兩個(gè)部分。其中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分是透過(guò)靜電引動(dòng)方法，使驅(qū)動(dòng)電路前后振動(dòng)，為機(jī)械元件提供激勵(lì)；而感測(cè)部分透過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量科氏力在感測(cè)質(zhì)量上產(chǎn)生的位移。

當(dāng)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(yùn)動(dòng)喚醒電路等等。

下面主要介紹MEMS陀螺儀的主要性能參數(shù)。

量程（動(dòng)態(tài)范圍） DYNANMIC RANGE

靈敏度 SENSORTIVITY RESOLUTION

零角速度輸出（零位輸出）ZERO OUTPUT

軸間交調(diào)靈敏度 INTER AXIS sensitivity

刻度因子

非線性度

線性加速度敏感度

振動(dòng)敏感度

零偏穩(wěn)定性

噪聲密度

角度隨意游走系統(tǒng)

帶寬

偏置電壓靈敏度

自檢功能

功耗

沖擊生存能力

工作溫度范圍

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(lái)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(qiáng)，在此輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀刻度因子非線性度能滿足規(guī)定要求，通常陀螺儀的量程是可以配置的。

靈敏度（分辨率）表示在規(guī)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(cè)量范圍越大，靈敏度會(huì)相應(yīng)降低。

刻度因子（標(biāo)度因數(shù)）是指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。這個(gè)比值是用一特定的直線斜率表示的，該直線是根據(jù)整個(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測(cè)得的輸入、輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。

非線性度是在輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀輸出量相對(duì)最小二乘法擬合直線的最大的偏差與最大輸出量之比，表征了陀螺儀實(shí)際輸入和輸出數(shù)據(jù)的偏離程度，決定了該擬合數(shù)據(jù)的可信度。

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

振動(dòng)敏感度是指陀螺儀對(duì)振動(dòng)的敏感程度，單位是degree/sec/g2。陀螺儀對(duì)線性加速度和振動(dòng)越不敏感，那么陀螺儀的性能越好，構(gòu)建的算法也就越有效。

零偏是指陀螺儀在零輸入狀態(tài)下的輸出，其用較長(zhǎng)時(shí)間輸出的均值等效折算為輸入角速率來(lái)表示，也就是觀測(cè)值圍繞零偏的離散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒會(huì)漂0.005 degree。在零輸入狀態(tài)下的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)輸出是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，即穩(wěn)態(tài)輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動(dòng)，習(xí)慣上用均方差來(lái)表示，這種均方差被定義為零偏穩(wěn)定性。而初始零偏誤差可以理解為靜態(tài)誤差，它不會(huì)隨時(shí)間的波動(dòng)，可以用過(guò)軟件校準(zhǔn)。

當(dāng)陀螺儀處于零輸入狀態(tài)時(shí)，脫落的輸出信號(hào)為白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加。漫變隨機(jī)函數(shù)可用來(lái)確定零偏和零偏穩(wěn)定性指標(biāo)，白噪聲定義為單位檢測(cè)帶寬平方根下等價(jià)旋轉(zhuǎn)角速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。這個(gè)白噪聲也可以用單位為 degree/√Hz 的角度隨意游走系數(shù)來(lái)表示，隨機(jī)游走系數(shù)是指由白噪聲產(chǎn)生的隨時(shí)間積累的陀螺儀輸出誤差系數(shù)。當(dāng)外界條件基本不變?cè)?，可以認(rèn)為上面所分析的各種噪聲的主要統(tǒng)計(jì)特性是不隨時(shí)間推移而變化的。

偏置電壓靈敏度是指陀螺儀的輸出對(duì)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(cè)量輸入的角速率的頻率范圍，這個(gè)范圍越大表明陀螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力越強(qiáng)。

自檢功能在使用前自動(dòng)測(cè)試器件的機(jī)械和CMOS電路部分，以提供系統(tǒng)的魯棒性。

功耗包括陀螺儀在不同分辨率或不同數(shù)據(jù)輸出率下運(yùn)行時(shí)的功耗，休眠功耗。在低功耗應(yīng)用像可穿戴、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域這個(gè)指標(biāo)尤為重要。

沖擊生存能力指陀螺儀承受不同程度下加速度沖擊的能力，比如：2000g加速度沖擊后陀螺儀保證系統(tǒng)正常工作。考慮到陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境可能會(huì)收到較大的沖擊時(shí)，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，一般陀螺儀受到超過(guò)它的加速度承受范圍會(huì)掛掉，必須重啟上電后才能正常工作。

MEMS陀螺儀的機(jī)械架構(gòu)決定了溫度會(huì)影響數(shù)據(jù)的輸出，而超過(guò)工作溫度范圍可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出產(chǎn)生較大的偏差。

封裝誤差是裸片對(duì)角線和封裝對(duì)角線的夾角。