【導讀】得益于手持設備等的強勁需求，預計2015年MEMS陀螺儀市場將達到11億美元。高性能及低成本等諸多優勢使MEMS陀螺儀有望取代加速度計，成為移動MEMS和消費電子領域的盈利冠軍。而對于這位市場新寵，你又了解多少呢？
多軸MEMS陀螺儀結構大幅縮小，單封裝集成數字接口，占板面積僅幾平方毫米，低廉的價格被大多數客戶接受，這些優勢促使MEMS陀螺儀滲透到手持設備市場。MEMS陀螺儀讓便攜設備能夠增加很多令人驚喜的特色功能，其中包括提高相機性能的圖像穩定功能；增加更多功能并提高易用性的用戶界面；令人興奮的游戲娛樂功能。MEMS陀螺儀還將用于需要高靈敏度、低噪聲、低漂移的航位推測和GPS輔助導航。
本文討論如何根據角速率和角位移測量結果，從一個MEMS陀螺儀快速獲取有價值的信息。 第一部分論述MEMS陀螺儀的工作原理和目標應用；第二部分介紹模擬輸出或數字輸出MEMS陀螺儀的主要參數；第三部分介紹MEMS陀螺儀的實用校準技巧；第四部分通過4個示例，從角位移的角度說明如何測試MEMS陀螺儀的性能。
一.MEMS陀螺儀技術概述
MEMS陀螺儀在高性能和低功耗方面取得了巨大的進步。這些器件可實現量產、價格低廉、尺寸緊湊，被廣泛應用于消費電子產品中。
1. MEMS陀螺儀工作原理
MEMS陀螺儀利用科里奧效應測量運動物體的角速率，如圖1所示。
圖1：科里奧效應
根據科里奧效應，當一個物體(m)沿V方向運動且施加角旋轉速率Ω時，該物體將受到一個黃色箭頭方向的力。然后，從一個電容感應結構可以測到科里奧效應最終產生的物理位移。
目前市面上的MEMS陀螺儀多數采用一種調音叉結構。這種結構由兩個振動并不斷地做反向運動的物體組成，如圖2所示。當施加角速率時，每個物體上的科里奧效應產生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率Ω成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉換成電壓輸出信號；如果是數字陀螺儀，則轉換成最低有效位。
圖2：當施加角速率時
如果在兩個物體上施加線性加速度，這兩個物體則向同一方向運動。因此，不會檢測到電容變化。陀螺儀將輸出零速率輸出值或最低有效位，表示MEMS陀螺儀對傾斜、撞擊或振動等線性加速度不敏感。
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2.MEMS陀螺儀應用
下面是MEMS陀螺儀的目標應用：.
● MEMS陀螺儀能夠測量角速率。數碼相機使用陀螺儀檢測人手的旋轉運動，能夠對圖像起到穩定的作用。在汽車上，偏航陀螺儀可以開啟電子穩定控制（ESC）制動系統，防止汽車急轉彎時發生意外事故。當汽車出現翻滾狀況時，滾轉陀螺儀可以引爆安全氣囊。
● 當汽車導航系統無法接收GPS衛星信號時，偏航陀螺儀能夠測量汽車的方位，使汽車始終沿電子地圖的規劃路線行駛，這個功能被稱之為航位推測系統。
● 偏航陀螺儀還能用于室內機器人控制。
● 安裝在機器人四肢上的多路慣性測量單元(IMU)能夠跟蹤和監測身體運動。
● IMU可用于空中鼠標。
● IMU還能用于運動控制式游戲平臺。
● IMU配合磁力計和GPS接收器，可以在手持設備上執行個人導航功能。
二.理解MEMS陀螺儀的主要參數
● 電源（V）：這個參數規定了陀螺儀正常工作所需的直流電源電壓范圍。
● 電源電流 (mA)：這個參數規定了陀螺儀正常工作所消耗的電流大小。
● 睡眠模式電源電流 (mA)：這個參數規定了陀螺儀在睡眠模式下所消耗的電流大小。
● 關機模式下的電源電流(μA)：這個參數規定了當陀螺儀電源關閉時所消耗的電流大小。
● 全量程 (dps)：這個參數規定了陀螺儀的量程范圍。
● 零速率輸出值(電壓或最低效位)：這個參數規定了當陀螺儀沒有被施加角速率時的零速率輸出信號的數值。
● 靈敏度 (mV/dps或dps/LSB)：這個參數規定了在零速率輸出值時1 dps與模擬陀螺儀輸出電壓變化的關系，用mV/dps表示；數字陀螺儀的靈敏度(dps/LSB)表示1個最低有效位與dps的關系。
● 靈敏度變化與溫度關系(%/°C)：這個參數規定了當溫度偏離25℃室溫時，以℃為單位的靈敏度百分比變化。
● 零速率輸出值變化與溫度關系(dps/℃)：這個參數規定了當溫度偏離25℃室溫時，以℃為單位的零速率輸出值的變化。
● 非線性 (% FS)：這個參數規定了陀螺儀輸出與最佳匹配直線之間的最大誤差占全量程(FS) 的百分比。
● 系統帶寬(Hz):這個參數規定了角速率信號頻率范圍：從直流到模擬陀螺儀可測量的內部帶寬（BW）。
● 速率噪聲密度 (dps/√Hz):這個參數規定了能夠從陀螺儀輸出以及BW參數獲得的模擬陀螺儀和數字陀螺儀的標準分辨率。
● 自測 (mV or dps)：這個功能可用于測試陀螺儀工作是否正常。這個功能的好處是在陀螺儀安裝到印刷電路板后無需旋轉印刷電路板即可測試陀螺儀。
三.MEMS陀螺儀校準
每個陀螺儀在出廠前都經過嚴格的性能測試以及靈敏度和零速率輸出值校準。不過，當陀螺儀組裝到印刷電路板后，因為機械或電焊應力的影響， 零速率輸出值和靈敏度可能會略微偏離工廠校準調試值。對于游戲機和遙控器等應用，設計人員只要用數據表中的典型零速率和靈敏度參數，即可把陀螺儀的測量信號轉換成角速率。對于要求嚴格的應用，設計人員需要重新校準陀螺儀的零速率輸出值、靈敏度和以下重要參數:
● 失準 (又稱跨軸靈敏度)
● 線性加速度靈敏度或g-靈敏度
● 長期運行偏差穩定性
● 導通-導通偏差穩定性
● 長時間工作后偏差和靈敏度漂移
1.消除零速率不穩定性
公式1是陀螺儀輸出的表達式。
其中：
Rt (dps)是實際角速率
Rm(LSB)是陀螺儀的測量結果
R0 (LSB)是零速率輸出值
SC (dps/LSB)是靈敏度
為修正導通-導通偏差不穩定性，在陀螺儀上電后，用戶可以采集50～100個輸出數據樣本，取這些樣本的平均值作導通零速率輸出值R0 ，假設該陀螺儀是靜止狀態。
因為溫度變化和測量噪聲，當陀螺儀是靜止狀態時，陀螺儀的每次讀數可能略有不同。設定一個閾值Rth ，如果陀螺儀測量值的絕對值小于閾值，則使陀螺儀的讀數歸零，如公式2所示。這個方法將消除零速率噪聲，當陀螺儀靜止時，角位移不會累加。
每當陀螺儀靜止時，用戶可以采集50～100個陀螺儀數據，然后取這些樣本的平均值作為零速率輸出值R0。這個方法可以消除零速率運行偏差和微小溫度變化。在零速率采樣后，必須從上面的幾步開始考慮不穩定性，因此公式 (1) 變為：
因此，下一步就是利用一個參照系統確定公式3中的靈敏度SC的數值。
應該強調的是，MEMS陀螺儀的靈敏度非常穩定，受工作時間和環境溫度的影響很小，僅上面提到的高靈敏度應用才需要校準過程。
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2.使用角速率測量臺確定靈敏度
因為陀螺儀能夠直接測量角速率，所以角速率測量臺是校準陀螺儀靈敏度的最佳參考標準。在一個精確角速率測量臺內有一個內嵌溫度單元。為了確保在校準陀螺儀過程中角速率測量臺不受環境振動的影響，角速率測量臺被置于一個振動隔離平臺之上。
把手持設備置于一個正方體的鋁盒或塑料盒內，然后把整個系統安裝在角速率測量臺上進行校準。使角速率測量臺沿順時針和逆時針兩個不同方向旋轉。如果被校準的是多軸陀螺儀，把方正形測試盒置于角速率測量臺上的不同方位，然后重復上面的校準過程。收集完陀螺儀在不同狀況下的原始數據后，即可確定零速率輸出值、靈敏度、失準矩陣和g靈敏度值。
校準陀螺儀還可以選用步進電機旋轉測量臺，用一臺個人電腦控制步進電機旋轉測量臺。
3.使用數字羅盤確定靈敏度
如果沒有角速率測量臺，可以使用數字羅盤代替角速率測量臺。
在校準陀螺儀前，需要校準數字羅盤的傾斜度，然后將其置于周圍沒有干擾磁場的平臺上。合并在固定采樣間隔內采集的數字羅盤相對方向信息和陀螺儀輸出數據，按公式4校準陀螺儀的靈敏度。
其中：
N：采樣數量
h：采樣間隔
H(1) ：電子羅盤初始方向
H(n)：羅盤在第n個樣本時的方向
SC (dps/LSB)：陀螺儀靈敏度
ΔR(i) ：在去除零速率輸出值和死區后，在第i個樣本的陀螺儀
輸出數據公式4可改寫為：
(5)其中：
因此， 我們可以從公式5得到利用最小平方方法計算的SC。
圖3描述了以度為單位的羅盤相對方向的變化，以及合并數據后的陀螺儀角位移。通過觀察圖3不難看出，羅盤相對方向變化（紅線）與陀螺儀位移（藍線）有非常好的線性關系。通過公式6，我們可以求得陀螺儀靈敏度校準參數。
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4.MEMS陀螺儀測試
在完成陀螺儀校準后，最后一步是測試陀螺儀的性能，了解如何從陀螺儀原始數據中獲取有價值的角位移信息。
測試1：當陀螺儀靜止時
圖3：羅盤相對方向和陀螺儀角位移
當陀螺儀沒有旋轉時，陀螺儀輸出原始數據應在零速率輸出值附近，且數據整合后陀螺儀方向應始終為0°。
測試2：當陀螺儀順時針整圈旋轉時
在采集30-～50個陀螺儀原始數據樣本以修正零速率輸出值偏差后， 使陀螺儀順時針旋轉90°，再繼續旋轉90°，直到旋轉360°。見圖4。
圖4：整圈順時針旋轉的單軸陀螺儀
測試3：當陀螺儀逆時針整圈旋轉時
在采集30～50個陀螺儀原始數據樣本以修正零速率輸出值偏差后，使陀螺儀逆時針旋轉90°，再旋轉90°，直到旋轉360°。這種情況下，每次旋轉90°時，角速率都不相同，但是陀螺儀方向測量精確歸零，誤差大約僅1.6°。
5.結論
隨著MEMS技術和制程的進步，MEMS陀螺儀的成本不斷降低，性能不斷提高，功耗越來越低，尺寸越來越小，能夠讓手持設備增加更多新功能。
MEMS陀螺儀是在特性測試和質量檢測過程中完成校準。大多數應用沒有必要校準陀螺儀，不過，對于復雜的要求嚴格的應用（如導航和航位推測），在組裝到印刷電路板后投入量產前，需重新校準零速率輸出值和靈敏度。
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