氣動陀螺儀介紹

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。

根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。

由此可見，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)中均占重要的地位。此處我們重點介紹在電子領(lǐng)域中現(xiàn)在比較流行的MEMS陀螺儀。

廣泛使用的MEMS陀螺（微機械）可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢：

1、體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等；

2、低成本；

3、高可靠性、內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件，全固態(tài)裝置，抗大過載沖擊，工作壽命長；

4、低功耗；

5、大量程，適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合；

6、易于數(shù)字化、智能化，可數(shù)字輸出，溫度補償，零位校正等。

陀螺儀工作原理

消費電子設(shè)備早在幾年前就開始使用MEMS加速計。從游戲機到手機，從筆記本電腦到白色家電，運動控制式用戶界面和增強的保護系統(tǒng)給所有的消費電子產(chǎn)品帶來很多好處。

現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了，消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。

陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，而MEMS加速計則能測量線性加速度，因此這兩者是一對理想的互補技術(shù)。

事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

ST在EMES市場的份額正在快速增長，作為全球公認(rèn)的消費電子和手機市場最大的MEMS傳感器供應(yīng)商，ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。

ST研制的微機械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù)，ST利用這項技術(shù)已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器， 選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，而且可直接用于最終應(yīng)用。

ST陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元，按照一個音叉機制運轉(zhuǎn)，利用Coriolis原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。

我們以一個單軸偏航陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理（圖1）。兩個正在運動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運動，如藍色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會產(chǎn)生一個與質(zhì)點運動方向垂直的科里奧利力，如圖中黃色箭頭所示。

產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應(yīng)部分的運動電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個專用電路可以檢測的電參數(shù)。

因為ST選用了音叉方法設(shè)計陀螺儀，其差分特性使系統(tǒng)本身對作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低于市場上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號被施加到陀螺儀，兩個質(zhì)點就會沿相同方向位移，在一個差分測量后，最終的電容變化將視為無效。

在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電路可簡化為電機驅(qū)動部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2): - 電機驅(qū)動部分通過靜電激勵方法，使驅(qū)動電路前后振蕩，為機械元件提供勵磁；

感應(yīng)部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點上產(chǎn)生的位移，這是一個穩(wěn)健、可靠的技術(shù)，被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線，能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號。

圖2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖

在控制電路內(nèi)部有先進的電源關(guān)斷功能，當(dāng)不需要傳感器功能時，可關(guān)閉整個傳感器，或讓其進入深度睡眠模式，以大幅降低陀螺儀的總功耗，當(dāng)需要檢測傳感器上施加的角速率時，在接到用戶的命令后，傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。

與ST的MEMS加速計類似，MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法，機械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。

智能設(shè)計方法結(jié)合先進的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減，多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5 mm2 ，最大厚度僅為1mm (圖3)。

意法半導(dǎo)體為客戶提供多軸感應(yīng)、30dps到6000dps量程的各種陀螺儀傳感器，讓系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠解決不同的應(yīng)用需求，從圖像穩(wěn)定器到游戲，從指向裝置到機器人控制。

除上述傳統(tǒng)應(yīng)用外，整合加速計和陀螺儀可以實現(xiàn)導(dǎo)航解決方案的慣性測量單元。換句話說，平臺開發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù)，將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)配合使用，能夠在衛(wèi)星信號很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒有信號的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導(dǎo)航服務(wù)。

在不久的將來，準(zhǔn)確的方位信息與服務(wù)廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會整合在一起，并顯示在用戶的手機顯示屏幕上，這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會為手機用戶帶來好處，例如，手機用戶可以獲得位于某一個購物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息，找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示，接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價和打折信息。

整合MEMS加速計和陀螺儀地磁的模塊正在進入廉價的電子玩具市場，傳感器模塊提供的動作感應(yīng)功能可實現(xiàn)互動的游戲體驗，還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂：孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物，用自然的動作玩這些玩具，不再使用按鈕或鍵盤一類的東西，甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。

結(jié)論：就像幾年前加速計的成功故事一樣，意法半導(dǎo)體最近掀起了MEMS陀螺儀消費浪潮，為市場提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀，增強多種消費電子產(chǎn)品運動跟蹤功能，實現(xiàn)現(xiàn)場感更強的用戶體驗。

憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得的進步，結(jié)合最先進的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，意法半導(dǎo)體進一步加強了其MEMS傳感器在消費電子和手機市場的領(lǐng)導(dǎo)地位。

陀螺儀的作用

這陀螺儀和重力傳感器有什么區(qū)別呢？區(qū)別很多，但最大的區(qū)別就是重力傳感對于空間上的位移感受維較少，能做到6個方向的感應(yīng)就已經(jīng)很不錯了，而陀螺儀則是全方位的。這很重要，毫不夸張的說，這兩者不是一個級別上的產(chǎn)品。

可能看到這里，大家還是會覺得有些迷惑，既然陀螺儀很厲害，那么它在手機上到底有什么用呢？我們不妨來看看。

第一大用途，導(dǎo)航。陀螺儀自被發(fā)明開始，就用于導(dǎo)航，先是德國人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導(dǎo)航能力將達到前所未有的水準(zhǔn)。實際上，目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機上安裝了相應(yīng)的軟件，其導(dǎo)航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機上用的導(dǎo)航儀。

第二大用途，可以和手機上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會讓手機的拍照攝像能力得到很大的提升。

第三大用途，各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測游戲者手的位移，從而實現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點，想必用過任天堂WII的兄弟會有很深的感受。

第四大用途，可以用作輸入設(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個立體的鼠標(biāo)，這個功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。

第五大用途，也是未來最有前景和應(yīng)用范圍的用途。下面重點說說。那就是可以幫助手機實現(xiàn)很多增強現(xiàn)實的功能。增強現(xiàn)實是近期才冒出的概念，和虛擬現(xiàn)實一樣，是計算機的一種應(yīng)用。大意是可以通過手機或者電腦的處理能力，讓人們對現(xiàn)實中的一些物體有跟深入的了解。

如果大家不理解，舉個例子，前面有一個大樓，用手機攝像頭對準(zhǔn)它，馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù)，比如樓的高度，寬度，海拔，如果連接到數(shù)據(jù)庫，甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。

這種增強現(xiàn)實技術(shù)可不是用來滿足大家的好奇心，在實際生產(chǎn)上，其用途非常廣泛，比如蓋房子，用手機一照，就知道墻是否砌歪了？歪了多少？ 再比如，假如您是一位伊拉克抵抗美軍的戰(zhàn)士，平時只需要揣著一部此類手機，去基地那里轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，出來什么坦克，裝甲車或者直升機，用手機對準(zhǔn)拍下，馬上就能判斷出武器的型號，速度、運動方向。

陀螺儀產(chǎn)品

意法半導(dǎo)體(ST)推出全球首款雙核陀螺儀

意法半導(dǎo)體推出全球首款能夠同時處理用戶動作識別與相機圖像穩(wěn)定兩大功能的雙核陀螺儀L3G4IS，創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)讓設(shè)備廠商只需一個陀螺儀即可執(zhí)行兩個不同功能，從而優(yōu)化手機、平板電腦等智能消費電子產(chǎn)品的尺寸、系統(tǒng)復(fù)雜性及成本。

這款擁有創(chuàng)新設(shè)計的雙核陀螺儀L3G4IS在4x4x1 mm封裝內(nèi)整合為兩個針對不同功能優(yōu)化的獨立輸出通道，同時可處理動作手勢識別和光學(xué)圖像穩(wěn)定功能，為手機相機實現(xiàn)更加銳利清晰的照片畫質(zhì)。

意法半導(dǎo)體公司副總裁兼模擬產(chǎn)品、MEMS及傳感器產(chǎn)品部總經(jīng)理Benedetto Vigna表示：“通過意法半導(dǎo)體全新雙核陀螺儀的創(chuàng)新系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)備廠商只需簡單整合一個陀螺儀即可實現(xiàn)動作識別和圖像穩(wěn)定兩大功能，而無需再使用兩個不同技術(shù)規(guī)格的專用傳感器，終端產(chǎn)品進而可實現(xiàn)更可靠的性能，更纖薄時尚的外觀設(shè)計以及更低的制造成本?！?/p>

意法半導(dǎo)體的全新陀螺儀L3G4IS針對解決電池供電的便攜式設(shè)備電源限制問題所設(shè)計，整合關(guān)機和睡眠兩個省電模式，內(nèi)置高級智能電源管理所需的先入先出(FIFO)存儲模塊。新傳感器通過I2C和SPI兩個獨立通信接口輸出數(shù)據(jù)，還提供多個數(shù)字嵌入式功能，如可配置低通/高通濾波器。新款陀螺儀內(nèi)置溫度傳感器，電源電壓范圍為2.4V至3.6V。

ST推出全新"陀螺儀"角速度傳感器

意法半導(dǎo)體（ST）推出新款MEMS單軸航向陀螺儀LISY300AL，這款產(chǎn)品采用7 x 7 x 1.5mm的表面貼裝封裝，角速度測量性能高達每秒300度（全量程）。新產(chǎn)品的主要特性包括：高靈敏度，電源電壓范圍擴大，從2.7V到3.6V，省電模式可選。新產(chǎn)品還有助于降低游戲控制器、直觀指向設(shè)備、車用或個人用導(dǎo)航儀等設(shè)備的待機功耗，并具備圖像穩(wěn)定功能。

利用意法半導(dǎo)體市場領(lǐng)先的MEMS技術(shù)，結(jié)合MEMS技術(shù)出色的強健性能，在溫度變化的條件下和整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)，LISY300AL的靈敏度表現(xiàn)非常穩(wěn)定。這個特性可以簡化設(shè)計，提高傳感器的可靠性。

LISY300AL還在封裝內(nèi)整合一個低通濾波器及專用芯片接口，設(shè)計人員使用很少的外部組件即可開發(fā)一個緊湊、低噪的解決方案。此外，高抗震性使新產(chǎn)品可用于對環(huán)境要求非常高的應(yīng)用中，如工業(yè)控制和汽車電子系統(tǒng)。內(nèi)置的自檢系統(tǒng)為目標(biāo)應(yīng)用帶來額外的精確度和可靠性保證。

除游戲和先進指向設(shè)備用戶界面等消費電子和工業(yè)應(yīng)用外，LISY300AL還可用于機器人和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的傾斜運動和角運動檢測功能。

LISY300AL的絕對速率輸出是模擬電壓信號。28引腳的LGA封裝采用ST的ECOPACK封裝技術(shù)，符合RoHS法令要求的“綠色節(jié)能”標(biāo)準(zhǔn)。

意法半導(dǎo)體推出世界首款3軸汽車陀螺儀

意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，簡稱ST)推出市場上首款符合汽車集成電路標(biāo)準(zhǔn)(AEC-Q100)的3軸數(shù)字輸出陀螺儀。意法半導(dǎo)體最新的角速度傳感器旨在于提高汽車設(shè)備的精度和穩(wěn)定性，包括儀表板內(nèi)置導(dǎo)航儀、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)和路橋收費系統(tǒng)。

意法半導(dǎo)體的汽車級陀螺儀能夠提供精確的測量結(jié)果，可大幅提升汽車導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)的航位推算和/或地圖匹配功能。在GSP衛(wèi)星信號很差的室內(nèi)和高樓林立的城區(qū)，航位推算系統(tǒng)可彌補信號丟失的影響，代替衛(wèi)星檢測物體的運動和高度。

陀螺儀的精確測量數(shù)據(jù)還能提高地圖匹配精度。地圖匹配是在數(shù)字地圖的公路網(wǎng)絡(luò)上描述衛(wèi)星或傳感器觀測的用戶位置的運動軌跡的過程，地圖匹配被用于各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括交通流量分析和車輛行駛方向。

運用一個檢測結(jié)構(gòu)測量沿三個正交軸[1]的運動是意法半導(dǎo)體的業(yè)內(nèi)獨一無二的陀螺儀設(shè)計概念，可實現(xiàn)新的航位推算和地圖匹配功能，能夠徹底解決三軸之間的信號干擾問題，從而大幅提升測量精度，具有出色的長時間和寬溫度范圍輸出穩(wěn)定性。

意法半導(dǎo)體的A3G4250D可測量最高+/-250dps(度/秒)的角速率。陀螺儀的片上接口把角速率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16位碼流，通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI或I2C通信協(xié)議，安全可靠地傳送到一個專用微控制器。新產(chǎn)品提供兩個輸出引腳(中斷和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備)和4個用戶可選的輸出數(shù)據(jù)速率。

這款3V單電源傳感器整合了關(guān)斷和深度睡眠兩種省電模式，并集成一個智能電源管理功能用FIFO(先入先出)存儲器模塊。A3G4250D內(nèi)置一個8位溫度傳感器，工作范圍擴大至-40到85°C。這款產(chǎn)品具有很強抗電磁干擾性能，可承擔(dān)最高10,000g的撞擊。

意法半導(dǎo)體的汽車3軸數(shù)字陀螺儀的設(shè)計和制造采用了與ST目前銷售量超過20億支的運動傳感器相同的制造工藝。意法半導(dǎo)體擁有最先進的產(chǎn)品設(shè)計能力，8英寸MEMS專用生產(chǎn)線具備大規(guī)模制造能力，尖端設(shè)計結(jié)合巨大產(chǎn)能，這一業(yè)內(nèi)獨有的雙重優(yōu)勢使公司能夠滿足好整個供應(yīng)鏈的需求。

深迪發(fā)布中國首款消費級商用三軸MEMS陀螺儀

深迪半導(dǎo)體(上海)有限公司(Senodia Technologies (Shanghai) Co., Ltd )正式發(fā)布其首款三軸微機電(MEMS)陀螺儀產(chǎn)品，ST200G。這是中國首款完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的消費級商用三軸MEMS陀螺儀。

它繼深迪2009年底發(fā)布中國首款消費級商用單軸MEMS陀螺儀SSZ0304CN打破國內(nèi)消費電子廠商100%依賴進口陀螺儀芯片之后，又一款里程碑的產(chǎn)品，并宣告中國自主知識產(chǎn)權(quán)的消費級MEMS陀螺儀進入三軸時代。

ST200G是一款小體積、低功耗、高性能、低成本的三軸陀螺儀。它采用QFN封裝，體積僅為4mm×4mm×0.9mm，工作溫度范圍為-40攝氏度～+85攝氏度，角速度滿量程為+/-250度/秒到+/-2000度/秒。另外，ST200G集成了全部的陀螺信號處理電路，芯片可以設(shè)置Burst Mode及不同的中斷形式，其性能達到國際先進水平。

三軸MEMS陀螺儀能夠同時偵測三個軸向(X, Y, Z)的轉(zhuǎn)動角速度(傾斜、滾動或旋轉(zhuǎn))。作為姿態(tài)識別、遙控、專業(yè)游戲、室內(nèi)導(dǎo)航和實景增強不可或缺的裝置，三軸MEMS陀螺儀在消費級領(lǐng)域有如下廣泛而理想的應(yīng)用：

-- 智能手機

-- 平板電腦

-- 游戲手柄

-- 遙控器便

-- 模型玩具

-- 便攜式攝像機和數(shù)碼相機

-- GPS

ST推出全球最小3軸陀螺儀使占板空間縮減40%

意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，簡稱ST)進一步擴大運動傳感器產(chǎn)品組合，推出全球最小的高性能三軸模擬陀螺儀。

L3G3250A整合意法半導(dǎo)體已生產(chǎn)近15.4億顆運動傳感器所采用的穩(wěn)健可靠、經(jīng)市場驗證的微機械加工技術(shù)以及公司積極的封裝縮減藍圖，能夠滿足下一代應(yīng)(游戲機、虛擬實境輸入設(shè)備、運動控制人機界面(MMI)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、家電以及機器人)對更小占板空間的要求。新款傳感器是高性能的三軸模擬輸出陀螺儀，封裝僅為3.5x3x1mm，占板空間從現(xiàn)有產(chǎn)品的17.6 mm3 縮減至10.5 mm3，縮減幅度近40%。

由于諧振頻率在音頻帶寬之外，L3G3250A能夠完全抵抗如安裝在傳感器附近的揚聲器產(chǎn)生的音頻噪聲，以及通過印刷電路板傳遞的耦合機械振動，新產(chǎn)品進而擁有更高的檢測精度和可靠性。

此外，其先進的設(shè)計結(jié)合三軸一體運動感應(yīng)結(jié)構(gòu) 可進一步提高精度和可靠性，確保傳感器輸出在時間和溫度特性方面具有業(yè)界最高的穩(wěn)定性。L3G3250A集高檢測分辨率和出色的抗音頻噪聲和機械振動噪聲于一身，讓手機、平板電腦、游戲機等智能消費電子產(chǎn)品的運動用戶界面變得更趨真實。

L3G3250A提供兩個用戶可選量程 – 625或2500 dps (度/秒) – 檢測分辨率分別為2mV/dps和0.5mV/dps。高量程讓陀螺儀能夠檢測速度非?？斓氖謩莺瓦\動。產(chǎn)品其它特性包括嵌入式自測功能、寬壓電源(2.4V至3.6V)、能夠優(yōu)化電池供電設(shè)備電源管理功能的嵌入式關(guān)閉和睡眠兩種節(jié)能模式、嵌入式低通濾波器和高通濾波器復(fù)位功能以及出色的防碰撞功能。