产品描述

陀螺仪用来测量角速度——物体转动的速度。旋转通常是参照三个轴之一来测量的:偏航、俯仰或横摇。

图1显示了与安装在平面上的封装相关的每个灵敏度轴的示意图。具有一个敏感轴的陀螺仪也可以通过不同的安装陀螺仪来测量其他轴，如图所示。在这里，一个偏航轴陀螺仪，如ADXRS150或ADXRS300，安装在其侧面，使偏航轴成为滚轴。

作为陀螺仪如何使用的一个例子，一个偏航轴陀螺仪安装在转盘旋转在33 1/3转/分(每分钟转数)将测量360°乘以33 1/3转/分除以60秒，或200°/秒的恒定旋转。陀螺仪输出的电压与角速率成正比，由其灵敏度决定，测量单位为毫伏每度每秒(mV/°/s)。满量程电压决定了可以测量多少角速率，因此在转盘的示例中，陀螺仪需要具有至少对应于200°/s的满量程电压。满量程受可用电压摆幅除以灵敏度的限制。例如，ADXRS300具有1.5 V满量程和5 mV/°/s的灵敏度，可处理300°/s的满量程。ADXRS150的满量程更有限，为150°/s，但灵敏度更高，为12.5 mV/°/s。

一个实际应用是通过在车内安装陀螺仪来测量汽车的转弯速度;如果陀螺仪感应到汽车正在失去控制，差速制动接合，使它回到控制。角度速率也可以随着时间的推移进行整合，以确定角度位置——当卫星信号在短时间内丢失时，这对于维持基于gps的导航的连续性特别有用。

科里奥利加速度

设备的ADXRS陀螺仪通过科里奥利加速度测量角速率。科里奥利效应可以解释如下，从图2开始。想象你站在一个旋转的平台上，靠近中心。您相对于地面的速度如图2中的蓝色箭头长度所示。如果你要移动到平台外缘附近的一点，你的速度相对于地面会增加，如较长的蓝色箭头所示。由径向速度引起的切向速度的增加速率就是科里奥利加速度(以法国数学家加斯帕德·g·德·科里奥利命名，1792-1843)。

如果欧姆是角速度r是r，切向速度是欧姆 r。如果r以速度v变化，就会有一个切向加速度欧姆v。这是科里奥利加速度的一半。另外一半来自于改变速度的方向，总共是2欧姆v(见附录)。如果质量为M，平台必须施加一个力，2 毫欧v，来产生加速度，质量受到一个相应的反作用力。

ADXRS陀螺仪利用了这种效应，通过在一个旋转平台上使用一个共振质量来移动进出的人。该质量由多晶硅微机械加工而成，并拴在多晶硅框架上，以便它只能沿一个方向共振。

为了测量科里奥利加速度，包含共振质量的框架通过弹簧以相对于共振运动90°的角度系在基片上，如图4所示。该图还显示了科里奥利感应手指，用于感知框架响应于质量施加的力的位移，如后面所述。如果弹簧的刚度为K，则反作用力产生的位移为2 欧姆 v M/ K。

图5显示了完整的结构，表明随着共振质量的移动，以及陀螺仪所安装的表面的旋转，质量及其框架经历科里奥利加速度，并从振动运动中平移90°。随着旋转速率的增加，质量的位移和相应电容的信号也会发生变化。

应该注意的是，陀螺仪可以放在旋转物体上的任何地方，以任何角度，只要它的传感轴平行于旋转轴。上述解释的目的是给一个直观的感觉的功能，并已简化了陀螺仪的位置。

电容式感应

ADXRS陀螺仪通过连接在谐振器上的电容式传感元件测量共振质量及其框架由于科里奥利效应而产生的位移，如图4、5和6所示。这些元件是硅梁，与两组固定的硅梁连接在衬底上，从而形成两个名义上相等的电容器。角速度引起的位移在该系统中引起微分电容。若总电容为C，光束间距为g，则差分电容为2 欧姆v MC/gK，且与角速度成正比。这种关系的保真度在实践中是很好的，非线性小于0.1%。

ADXRS陀螺仪电子设备可以分辨小到12 × 10(-21)法拉(12 zeptofarads)的电容变化，从小到0.00016埃(16飞米)的波束偏转。在实际设备中使用这种方法的唯一方法是将电子器件，包括放大器和滤波器，与机械传感器放在同一个模具上。差分信号在谐振器频率处交替，可以通过相关法从噪声中提取。

这些亚原子位移作为光束表面的平均位置是有意义的，即使表面上的单个原子随机移动得更多。电容器表面大约有10(12)个原子，因此对它们各自的运动进行统计平均可以将不确定性降低10(6)倍。那为什么我们不能做得更好100倍呢?答案是空气分子的影响导致了结构的移动——尽管平均效果相似，但它们的影响要大得多!那么为什么不去除空气呢?该设备不是在真空中操作的，因为它是一个非常细的薄膜，重量只有4微克;它的弯曲，只有1.7微米宽，悬浮在硅衬底上。空气缓冲了结构，防止它被猛烈的冲击摧毁——即使是那些在炮弹发射制导炮弹时所经历的冲击(如最近所示)。

特性

电子和机械元件的集成是ADXRS150和ADXRS300等产品的关键特征，因为它可以在给定的性能水平下实现最小的尺寸和成本。图7是ADXRS芯片的照片。

ADXRS150和ADXRS300采用行业标准封装，简化了用户的产品开发和生产。陶瓷封装- 32针球栅阵列(BGA) -宽7毫米，深7毫米，高3毫米。它比任何其他具有类似性能的陀螺至少小100倍。除了它们的小尺寸，这些陀螺仪消耗30兆瓦，远低于类似的陀螺仪功率。小尺寸和低功耗的结合使这些产品非常适合消费类应用，如玩具机器人，滑板车和导航设备。

抗冲击和振动

陀螺仪用户最关心的问题之一是，即使在存在环境冲击和振动的情况下，该设备是否能够可靠地提供准确的角速率输出信号。此类应用的一个例子是汽车侧翻检测，其中陀螺仪用于检测汽车(或SUV)是否正在侧翻。有些侧翻事件是由与另一个物体(如路缘)的碰撞引发的，这会对车辆造成冲击。如果激波使陀螺仪传感器饱和，而陀螺仪无法将其过滤掉，那么安全气囊可能无法展开。同样，如果道路上的颠簸导致冲击或振动，并转化为旋转信号，安全气囊可能会在不需要的时候展开——这是一个相当大的安全隐患!

如图6和7所示，ADXRS陀螺仪采用了一种新颖的角速率传感方法，可以抑制高达1000g的冲击，它们使用两个谐振器来差分感应信号，并抑制与角运动无关的共模外部加速度。这种方法在一定程度上是ADXRS陀螺仪对冲击和振动具有优异抗扰性的原因。图6中的两个谐振器在机械上是独立的，它们的工作是反相的。因此，它们测量的旋转幅度相同，但输出方向相反。因此，利用两个传感器信号之间的差值来测量角速率。这消除了影响两个传感器的非旋转信号。信号在非常敏感的前置放大器前面的内部硬接线中组合。因此，极端加速度过载在很大程度上被阻止到达电子设备，从而允许信号调节在大冲击时保持角速率输出。该方案要求两个传感器匹配良好，彼此精确制作副本。

总结

Devices利用其iMEMS工艺实现了世界上第一个完全集成的角速率传感器的突破。集成带来了可靠性、尺寸和价格的革命。结果是陀螺仪适合于比以前认为可能或负担得起的更广泛的应用范围。该设备的低功耗和小尺寸将有利于使用电池的小型消费和工业产品，如玩具、踏板车和便携式仪器。对冲击和振动的巨大免疫力使汽车和其他恶劣环境条件下的应用受益。

展望未来，利用iMEMS工艺和陀螺仪设计技术实现更高水平的集成是可能的。正如Devices公司已经开发出双轴加速度计一样，多轴陀螺仪也将成为可能。它甚至可以将加速计和陀螺仪集成在一个芯片上。由此产生的惯性测量单元将使即使是微小的车辆也能稳定和自主导航。

附录

二维运动

考虑复平面中的位置坐标z = rε(末梢西塔)。对时间t求导，速度是

这两项分别是r和切向分量，后者由角速率产生。再微分一下，加速度是

第一项是线性加速度，第四项是角加速度产生的切向分量。最后一项是我们熟悉的约束r的向心加速度。第二项和第三项是切向的，是科里奥利加速度分量。它们是相等的，分别由速度方向的改变和切向速度大小的改变引起。如果角速度和速度是恒定的，

然后

其中角分量，iε(末梢西塔)，在正u的意义上表示切向科里奥利加速度，2欧姆v， -ε(末梢西塔)表示向中心(即向心)对于欧姆(2) r分量。