微机械陀螺仪

    微机械陀螺仪是基于微机械(MEMS)技术工艺制程的陀螺仪,由于内部无需集成旋转部件,而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度,因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产,具有成本低和体积小等特点。近年来,微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注,例如,陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等。

微机械陀螺仪的典型应用

    提供两种接口:模拟或者数字接口(I2C/SPI),可以通过管脚5来选择所希望的接口方式。LY530AL需要一个锁相环来同步驱动和检测两部分电路,C1、C2和R1为锁相环所需一个二阶低通滤波器。
    LY530AL在模拟输出端集成了两个一阶片上滤波器用来滤除高频信号:开关电容低通滤波器(截至频率:400Hz)和一个有源滤波器。有源滤波器的电阻为180kΩ,已经集成在芯片内部,使用时需要外接电容CACT来设置截至频率计算方法如式4。如果上述两级低通还不能滤除高频噪声,LY530AL还支持外接ROPT和COPT构成的低通滤波器。当LY530AL与ADC之间走线较长时,其中还可加入运算放大器增强其驱动能力来符合ADC对输入信号的要求。
    对于便携式设备而言,器件的功耗非常重要,直接影响其待机的时间。在使用其模拟接口时,LY530AL消耗电流典型值为:4.8mA,并还设置有一个PD管脚,控制其在待机时进入掉电模式,在该模式下消耗电流小于1μA。由于微机械陀螺仪内部有振荡的微机械部分,LY530AL还设有自测的功能,能够自行检测其内部的微机械部分是否正常。在使用模拟接口时,通过ST管脚来启动自测功能,这时芯片内部会产生一个静电力作用在微机械部分上,来模拟一定的哥氏力,输出电压也会随之变化。如果电压的变化值在一定的范围之内,说明芯片内部的微机械结构工作正常。
    微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用
    STM32-PRIMER2是STM最新的STM32开发工具,配置了128×160像素的彩色触摸屏显示器、方向控制按键、USB接口、外部扩展连接器、MEMS加速度传感器等,通过内置的开源CircleOS软件框架,用户可以轻松地管理所有组件。为支持更多的外设,STM32-PRIMER2提供了20针的扩展连接器,其中包括一个UART接口、SPI、音频I2S接口以及ADC输入接口等。 同时其采用了STM公司的高精度加速度传感器LIS3LV02DL,加速度分辨率可达到1mg。为验证LY530AL的性能,通过STM32-PRIMER2的20针的扩展连接器,构建如图8所示的测试系统。
    该评估系统无线通讯部分采用STM的蓝牙收发模块GS-BT2416C2通过UART接口和主处理器STM32F103VET6进行通讯;采用了两颗LY530AL分别检测Yaw和Pitch上的转动,一颗水平放置,另一颗垂直主板放置,分别通过SPI接口和主处理器进行通讯;三轴的加速度传感器LIS3LV02DL用来检测遥控器在XYZ三个轴上的水平移动,主处理器STM32F103VET6负责数据的采集和处理。
    该评估系统经蓝牙与笔记本相连接进行验证,其具有很好的灵敏度和响应速度,在使用过程中不存在光标漂移现象,完全可以取代传统的鼠标。再与机顶盒连接测试时,相较于现有复杂的多按键遥控器,具有更好的直观性,只需要利用3至5个按键,就可以对选单目录进行操控。

微机械陀螺仪的主要参数

    微机械陀螺仪的重要参数包括:分辨率(Resolution)、零角速度输出、灵敏度(Sensitivity)和测量范围,这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志,同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度,该参数和零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定,白噪声一般用°/s/√Hz来表征,LY530AL的白噪声只有:0.1°/s/√Hz。这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力,而对使用者而言,灵敏度更有实际的意义,其单位是mV/°/s,由此用户可选用适合的ADC来与之匹配。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大的角速度,单位是°/s,不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求。

微机械陀螺仪的原理

    微机械陀螺仪利用了哥氏力现象,其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时,并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动,就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力,其矢量可按式1计算。
    式中:F(t)是哥氏力,m是该物体的质量,ΩZ是坐标系旋转的角速度,是该物体的矢量速度。
    机械陀螺仪LY530AL,它采用了对称的双质量块结构,如图2所示。滑块1和1’是检测质量块, 2和2’是驱动质量块,并且检测质量块是附着在驱动质量块之上。受限于结构件3,检测质量块能够被动的随驱动质量块沿驱动轴(X轴)运动,而在检测轴(Y轴)方向,检测质量块则能在哥氏力的作用下自由运动。所以检测质量块会有两个轴向运动,一个是随驱动质量块沿X轴的受限被动运动,另一个是由哥氏力牵引着在Y轴的自由运动。4(4’)和5(5’)分别是驱动电极和检测电极。
    根据式1,哥氏力产生的加速度为a(t)=2ΩZ×。振动速度为已知量,如果得到检测质量块上的哥氏力加速度a(t),然后结合振动速度进行同步解调,就可以检测出XY坐标系的旋转角速度。这就是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。由于加速度的检测方法较为简单,而保持一个振幅和频率都恒定的振动速度却比较困难,所以振动速度χ(t)对角速度的检出起着关键作用。

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