（2023年11月15日） - 傑伊esfandyari，羅伯托·德nuccio，徐剛，意法半導體，介紹了mems陀螺儀的工作原理及其應用、mems陀螺儀的主要引數與模擬或數字輸出、實際的mems陀螺儀校準技術，以及如何通過mems陀螺儀的效能測試角位移。
多軸mems陀螺儀在結構及其數字介面整合方面進展顯著，可以整合在幾平方公釐的面積上，而且**低廉。已經加速了mems陀螺儀進入手持裝置的普及率。
mems陀螺儀已經令人興奮的能夠在便攜裝置中應用，包括改善相機效能的光學防抖，提高使用者介面的附加功能和易用性，提供更令人興奮的娛樂遊戲。進一步應用例如航位推算和***協助，需要高靈敏度，低雜訊，低溫度漂移和時間高同一性的mems陀螺儀。
這裡，我們討論有意義的訊號，迅速通過mems陀螺儀的角速度和角位移測量的方法和技巧。
mems陀螺儀介紹
mems陀螺儀正朝著高效能和低功耗方面取得重大進展。他們大規模生產低成本與小尺寸的產品，以滿足消費電子市場。
mems陀螺儀利用科里奧利效應來測量角速度，如圖1所示。
圖1 科里奧利效應
當質量（m）沿v→方向移動和角速度沿著ω→旋轉，然後質量（m）會產生乙個箭頭方向的力量，作為科里奧利力的結果。然後讀出從電容式感測結構產生的科里奧利力造成的物理位移。
大多數現有的mems陀螺儀使用音叉配置的。兩個質量(m)振盪，並不斷沿相反的方向移動（圖2）。當有角速度時，科里奧利力對每個質量作用力的方向相反，導致電容的變化。
這種電容的電壓差值是與角速度ω成正比的，然後將輸出電壓轉換到模擬陀螺儀或lsb的數字陀螺儀。
當直線加速應用到兩個質量（m），它們在同乙個方向移動。因此，將沒有檢測電容的變化。陀螺儀將輸出零電壓或lsb的利率水平，這表明，mems陀螺儀是直線加速，例如傾斜，震動或振動不敏感。
圖2 當沿角速度運動
mems陀螺儀的應用
mems陀螺儀可以測量角速度。數位相機使用的陀螺儀去檢測手動防抖，保證影象穩定。偏航速率陀螺儀可用於汽車，啟用電子穩定控制（esc）制動系統，以防止汽車急轉彎時有意外發生。
以及當發生翻車時，滾陀螺儀可用於啟用安全氣囊。
偏航速率陀螺儀，可用於衡量汽車的方向，以保持車內***訊號丟失時，在數字地圖上移動。這就是所謂的車航跡推算備份系統。
偏航速率陀螺儀，也可用於室內機械人控制。
多慣性測量單元（imus）可以安裝在手臂和雙腿上，用於身體的跟蹤和監測。
imu也可用於無線滑鼠的應用、遊戲運動平台和個人導航裝置以及磁強計和***接收機的整合。
了解mems陀螺儀的主要引數
電源（伏特）：這個引數定義了陀螺儀工作時直流電源的電壓範圍。
電源電流（ma）：此引數定義陀螺儀在工作模式時的典型電流消耗。
在睡眠模式（ma）的電源電流：這個引數定義的陀螺儀處於睡眠模式時的電流消耗。
在掉電模式（ua）的電源電流：此引數定義的陀螺儀斷電時的電流消耗。
滿量程（dps）：這個引數定義了陀螺儀的測量範圍。
零利率水平（伏特或最低有效位）：該引數定義了零利率水平時，沒有角速度時陀螺儀的應用。
靈敏度（mv / dps或者dps / lsb的）：在mv / dps的靈敏度定義為1dps和模擬陀螺儀的輸出電壓變化在零利率水平之間的關係。對於數字陀螺儀，靈敏度（dps / lsb），是1lsb和dps之間的關係。
靈敏度隨溫度的變化（％/℃）：此引數定義當溫度從25℃室溫起，靈敏度將如何變動百分率/每°c。
零利率水平隨溫度的變化（dps /℃）：這個引數定義，當溫度變化從25°c，零利率水平將如何改變每°c。
非線性（％fs）：引數定義了陀螺儀的輸出和最合適的百分比直線與滿量程（fs）範圍之間的最大誤差。
系統頻寬（hz）：這個引數定義模擬陀螺儀可以測量的角速度訊號的頻率從直流到內建的頻寬（bw）。
率雜訊密度（dps /√hz的）：這個引數定義為模擬和數字陀螺儀的標準解析度，可以從bw引數輸出的標準解析度。
自我測試（mv或dps）：此功能可以用來當陀螺儀的工作沒有自身旋轉時，驗證陀螺儀在印刷電路板（pcb）安裝是否正確。
mems陀螺儀的校準
陀螺儀通常是在工廠測試和校準零利率水平及靈敏度。然而，陀螺儀裝配在pcb上後，由於壓力，零利率的水平和靈敏度與工廠的修整值可能略有變化。
在應用程式中，如遊戲和遙控器，可以簡單地使用資料表中的典型的零利率水平和靈敏度值角速度陀螺儀進行測量轉換。
更苛刻的應用陀螺儀時，需要校準新的零利率水平和靈敏度值等重要引數，如：
錯位（或交叉軸靈敏度）
線性加速度靈敏度或g-靈敏度
長期執行偏置穩定性
轉動轉偏置穩定性
偏置和靈敏度溫度漂移
擺脫零利率的不穩定
陀螺儀的輸出可以表示為公式1
rt = sc × (rm - r0) (1)
此處：rt（dps）：真正的角速率
rm（最低有效位）：陀螺儀測量
r0（最低有效位）：零利率水平
sc（dps / lsb）的靈敏度
為了彌補開始轉向時偏壓的不穩定，陀螺儀通電後，可以收集零利率水平r0 的50到100個樣本，然後平均這些樣本，假設陀螺儀是穩定的。
由於溫度的變化和測量雜訊存在，當陀螺儀穩定時，陀螺儀的讀數會有所不同。設定門檻rth，如果絕對值在閾值內，陀螺儀的讀數為零。如公式2所示，這是必要的，這將可以在陀螺儀穩定後，擺脫零利率的噪音，使角位移不會累積。
δr = (rm - r0) = 0 if |(rm - r0)| < rth (2)
每次陀螺儀穩定後，可以得到50至100陀螺儀的基準，然後平均這些樣本作為新的零利率水平r0。這將消除零利率在執行中的偏差和溫度的變化。
零利率的不穩定採取上述步驟處理後，則方程（1）
rt = sc × (rm - r0) = sc × δr (3)
因此，下一步將是確定參考系統中公式3中的靈敏度sc。
應當強調的mems陀螺儀的靈敏度，通常是非常穩定。隨著時間的推移和溫度的校準，僅適用於需要高靈敏度的應用。
測試mems陀螺儀
陀螺儀校準後，最後一步是測試陀螺儀的效能，如何從陀螺儀原始資料中取得有意義的角位移資訊。
測試1：當陀螺儀靜止時。陀螺不旋轉時，陀螺儀的原始資料輸出應該是零利率的水平，同時陀螺儀初始值後始終為0。
測試2：當陀螺儀全輪順時針旋轉。取樣30至50個陀螺儀的原始資料樣本，作為抵消新的零利率水平，順時針旋轉90°，然後再旋轉90°，直到陀螺儀全輪360°旋轉，如圖3所示。
陀螺儀每旋轉90°的峰值的原始資料是不同的，角速度慢或快，但最後的角位移的誤差僅約0.6。
圖3 單軸陀螺儀旋轉全輪順時針旋轉
測試3：當陀螺儀全輪逆時針旋轉。取樣30至50個陀螺儀的原始資料樣本，作為抵消新的零利率水平，逆時針旋轉90°，然後再逆時針旋轉90°，直到陀螺儀全輪360°逆時針旋轉。
在這種情況下圖4中的角速度極性是積極大於消極。
結論隨著mems技術和工藝的進步，產生了低功耗，體積小，低成本，高效能的mems陀螺儀，使其在手持裝置中有了令人興奮的應用。
mems陀螺儀校準過程中的表徵和鑑定過程。他們不需要重新校準對於大多數應用程式。然而，對於複雜和苛刻的應用，如導航和航位推算，重新校正後的零利率水平和靈敏度的陀螺儀推薦安裝在pcb上。
參考文獻
1。意法半導體mems陀螺儀演示，
2。意法半導體mems陀螺儀的組合：ly330alh，l3g4200d，
傑伊esfandyari維也納技術大學碩士學位和博士學位、電子工程博士，德克薩斯州，75019意法半導體mems產品營銷經理（972）971-4969; jalinous.esfandyari@
羅伯托·德nuccio公尺蘭/義大利電信工程學士學位，並是意法半導體公司的業務發展經理。
許剛博士，上海交通大學和意法半導體公司高階應用工程師。
MEMS陀螺儀的原理與應用優勢分析
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