最新傳感器技術：MEMS陀螺儀在任何情況下都能精確的慣性傳感

越來越多的應用需要從位于極高溫度環(huán)境中的傳感器收集數(shù)據(jù)。近年來，在半導體，無源器件和互連中取得了相當大的進步，以實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集和處理。然而，對于可以在高達175°C的溫度下工作的傳感器仍然存在未滿足的需求，特別是在微機電系統(tǒng)（MEMS）提供的易于使用的形狀因子中。與傳感器等效傳感器相比，MEMS傳感器通常更小，功率更低，成本更低。此外，他們還可以在同一半導體封裝中集成信號調理電路。

高溫MEMS加速度計-ADXL206已經(jīng)發(fā)布，可提供高精度傾斜（傾斜）測量。然而，仍然需要額外的自由度來精確地測量系統(tǒng)在惡劣環(huán)境應用中的運動，其中最終產品可能受到嚴重的沖擊，振動和劇烈運動。這種類型的濫用可能導致系統(tǒng)過度磨損和早期故障，從而導致維護或停機成本高。

為了滿足這一需求，ADI公司開發(fā)了一種帶有集成信號調理功能的新型高溫MEMS陀螺儀， ADXRS645。該傳感器即使在存在沖擊和振動的情況下也能實現(xiàn)精確的角速率（轉速）測量，額定溫度可達175°C。

操作原理

MEMS陀螺儀通過科里奧利加速度測量角速率?？评飱W利效應可以解釋如下，從圖1開始。考慮自己站在靠近中心的旋轉平臺上。您相對于地面的速度顯示為藍色箭頭長度。如果你要移動到靠近平臺外緣的點，你的速度會相對于地面增加，如較長的藍色箭頭所示。由徑向速度引起的切向速度的增加率是科里奧利加速度。

如果Ω是角速率而 r 是半徑，切向速度為Ωr。因此，如果r以速度v變化，則會出現(xiàn)切向加速度Ωv。這是科里奧利加速度的一半。另外一半是改變徑向速度的方向，總共提供2Ωv。如果你有一個質量（M），平臺必須施加一個力 - 2MΩv-來引起加速度，并且質量會經(jīng)歷相應的反作用力。 ADXRS645通過使用類似于在旋轉平臺上移出和移出的人的共振質量來利用這種效果。質量由多晶硅微加工而成，并與多晶硅框架相連，因此它只能沿一個方向共振。

圖2顯示當共振質量向旋轉的外邊緣移動時，它會加速向右并向框架施加向左的反作用力。當它向旋轉中心移動時，它會向右施加一個力，如綠色箭頭所示。

為了測量科里奧利加速度，包含共振質量的框架通過相對于共振運動成90°的彈簧系在基板上，如圖3所示。該圖還顯示科里奧利感應指用于通過電容轉換來感應框架的位移，以響應質量所施加的力。

圖4顯示了完整的結構，表明當共振質量移動時陀螺儀安裝的表面旋轉，質量及其框架經(jīng)歷科里奧利加速度并從振動運動平移90°。隨著旋轉速率的增加，質量的位移和從相應的電容變化得到的信號也增加。應該注意的是，陀螺儀可以放置在旋轉物體上的任何位置并且可以任何角度，只要其感測軸平行于旋轉軸即可。

電容式感應

ADXRS645通過連接到諧振器的電容式感應元件測量共振質量及其框架的位移，這是由于科里奧利效應，如圖4所示。這些元件是硅梁與連接到基板的兩組固定硅梁相互交叉，從而形成兩個標稱相等的電容器。由于角速率引起的位移會在該系統(tǒng)中產生差分電容。

在實踐中，科里奧利加速度是一個非常小的信號，產生幾分之一的光束偏轉和相應的電容變化，大小為zeptofarads。因此，最小化對寄生源的交叉敏感性是極其重要的，例如溫度，封裝應力，外部加速度和電噪聲。這是通過將電子器件（包括放大器和濾波器）置于與機械傳感器相同的芯片上來實現(xiàn)的。然而，在信號鏈盡可能遠的地方進行差分測量更重要，并將信號與諧振器速度相關聯(lián)，尤其是處理外部加速度的影響。

振動抑制

理想情況下，陀螺儀只對旋轉速率敏感，而不是其他任何東西。在實踐中，由于其機械設計的不對稱性和/或微機械加工不精確性，所有陀螺儀都對加速度具有一定的敏感性。事實上，加速度靈敏度有多種表現(xiàn)形式 - 其嚴酷程度因設計而異。最重要的通常是對線性加速度（或 g 靈敏度）和振動校正（或 g 2 靈敏度）的敏感性，并且可能非常嚴重到完全淹沒了零件的額定偏置穩(wěn)定性。當速率輸入超出額定測量范圍時，一些陀螺儀的輸出從軌道擺動到軌道。其他陀螺儀在受到小到幾百的沖擊時會有鎖定的傾向。這些陀螺儀不會受到?jīng)_擊的損壞，但它們不再響應速率，需要重新啟動才能重新啟動。

ADXRS645采用了一種新穎的角速率傳感方法，可以抑制沖擊高達1000 g - 它使用四個諧振器來差分檢測信號并抑制與角運動無關的共模外部加速度。圖5中的頂部和底部諧振器對是機械獨立的，并且它們反相運行。結果，它們測量相同的旋轉幅度，但給出相反方向的輸出。因此，傳感器信號之間的差異用于測量角速率。這取消了影響兩個傳感器的非旋轉信號。信號在前置放大器之前的內部硬連線中組合。因此，極大地阻止了極端加速度過載到達電子設備 - 從而允許信號調節(jié)在大沖擊期間保持角速率輸出。

傳感器實現(xiàn)

圖6顯示了陀螺儀及相關驅動和感應電路的簡化原理圖。

諧振器電路檢測諧振質量的速度，放大并驅動諧振器，同時保持相對于科里奧利信號路徑的良好控制的相位（或延遲）?？评飱W利電路用于通過下游信號處理來檢測加速度計框架的運動，以提取科里奧利加速度的大小并產生與輸入旋轉速率一致的輸出信號。此外，自檢功能會檢查包括傳感器在內的整個信號鏈的完整性。

應用示例

其中一個最苛刻的在石油和天然氣井下鉆井行業(yè)中可以遇到電子設備的環(huán)境。這些系統(tǒng)利用多個傳感器來更好地了解鉆柱在地面下的運動，優(yōu)化操作并防止損壞。以RPM為單位測量的鉆削速度是鉆機操作員始終需要知道的關鍵指標。傳統(tǒng)上，這是用磁力計計算的。然而，磁力計受到鉆井套管和周圍鉆孔中存在的含鐵材料的干擾。它們也必須安裝在特殊的非磁性鉆鋌（外殼）中。

除了簡單的RPM測量之外，人們越來越關注理解鉆柱的運動或鉆井動力學以最佳地管理諸如施加的力量，旋轉速度和轉向之類的參數(shù)。管理不善的鉆井動力學可能導致鉆頭的高振動和極不穩(wěn)定的運動，導致到目標區(qū)域的鉆井時間更長，設備過早失效，難以操縱鉆頭，以及井本身受損。在極端情況下，設備可能會被破壞并留在井中，然后必須以非常高的成本回收。

鉆井參數(shù)管理不善導致的一種特別有害的運動被稱為粘滑。粘滑是鉆頭卡住的現(xiàn)象，但鉆柱的頂部繼續(xù)旋轉。當鉆頭卡住時，鉆柱的底部會卷起，直到它產生足夠的扭矩來松動，通常是猛烈的。當發(fā)生這種情況時，在鉆頭處發(fā)生大的旋轉速率尖峰。粘滑傾向于周期性地發(fā)生并且可以持續(xù)很長一段時間。粘滑的典型RPM響應如圖7所示。由于表面的鉆柱繼續(xù)正常旋轉，鉆井操作員通常不知道這種破壞性現(xiàn)象發(fā)生在井下。

此應用的關鍵測量是對鉆頭附近轉速的精確，高采樣率測量。諸如振動抑制ADXRS645之類的陀螺儀非常適合此任務，因為測量與鉆柱的任何線性運動分離。當存在高振動和不穩(wěn)定運動時，從磁力計計算的旋轉速率會受到噪聲和誤差的影響。基于陀螺儀的解決方案可提供轉速的瞬時響應，并且不依賴于過零點或其他可能受沖擊和振動影響的算法。

此外，基于陀螺儀的電路比磁通門磁力計解決方案更小，所需的元件更少，磁通門磁力計解決方案需要多個磁力計軸和額外的驅動電路。信號調理集成在ADXRS645中。支持高溫IC對陀螺儀模擬輸出進行采樣和數(shù)字化，采用低功耗，低引腳數(shù)封裝。具有數(shù)字輸出的175°C額定陀螺儀電路可通過圖8所示的簡化信號鏈實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集電路的完整參考設計可在www.analog.com/cn0365 上獲得。

摘要

本文介紹了第一款額定用于高溫175°C操作的MEMS陀螺儀-ADXRS645。該傳感器可在惡劣環(huán)境應用中實現(xiàn)精確的角速率測量，從而抑制沖擊和振動的影響。陀螺儀由一系列高溫IC支持，以獲取處理信號。有關ADI公司高溫產品的更多信息，請訪問www.analog.com/hightemp。