MEMS陀螺仪工作原理及创新应用

MEMS陀螺仪并不是最早应用在消费电子上的运动传感器，加速度传感器、电子罗盘早先一步进入了消费电子市场。虽然以重力为参照的加速度传感器和以地磁为参照的电子罗盘可以在地球表面形成垂直和水平面的三维空间覆盖，但因为二者均以地球而并非物体本身为参照物，因此不能很好地模拟物体的整个运动过程。此外，由于加速度传感器容易受到线性运动时产生的力的干扰、电子罗盘容易受到诸如金属及手机等其他磁场的干扰，其应用受到了很大的局限。陀螺仪这个测量角速度的传感器不仅以物体本身作为参照物，而且具有很高的精度，因此可以对其他运动传感器做有益的补充，从而使得运动检测更加完备。

任天堂的Wii最初采用了三轴(X、Y、Z)加速度传感器，后来又增加了陀螺仪。"任天堂早就知道光有三轴加速度传感器是不够的。只是当时市面上还没有消费电子级别的陀螺仪可以使用，直到Invensense推出了第一款用于消费电子的MEMS陀螺仪。"Invensense移动产品事业部系统工程总监林尚宏表示。这一情况也发生在了苹果CEO乔布斯的身上。在2010年6月iPhone 4的发布会上，乔布斯亲自演示了陀螺仪带来的侦测出物体水平方向旋转的创新应用—这一应用是单独基于其他运动传感器无法实现的。因此，通过了解陀螺仪的工作原理，我们可以切身体会到任天堂和苹果对陀螺仪曾经的企盼，而且也可以帮助国内的消费电子终端厂商巧妙地应用该器件以实现多样化的创新应用。

陀螺仪可以对加速度传感器和电子罗盘进行有益的补充。当三轴陀螺仪加上三轴加速度传感器形成六轴的运动传感器之后，基本上可以检测到所有形式的运动，包括速度、方向、位移等参数。"物体的运动无外乎六种，X、Y、Z三个方向的位移和X、Y、Z三个方向的转动。这六种运动方式组成了物体完整的运动轨迹。" Invensense移动产品事业部副总裁姜正耀表示。如果在六轴运动传感器上加上电子罗盘，则在检测运动轨迹的同时还可以修正绝对位置，实现完美的物体运动轨迹跟踪。因此，未来陀螺仪的进一步发展应用，是和加速度传感器及电子罗盘紧密联系的。

加速度传感器相当于一个重锤在中间的弹簧系统，四面八方有弹簧撑着它。平放在桌面时，有的弹簧被拉长，有的被压扁。变化时，不同的弹簧受到不同的压缩，从而侦测出不同方向的力。它的典型应用包括手机/相机画面水平和垂直的切换。

电子罗盘主要侦测地磁。常见的电子罗盘主要基于霍尔效应。但是地磁环境不完美，比如地磁的南极在地球不同的表面不一定指的同一个北方；而在地球不同纬度，地磁的方向和水平方向的夹角也不同。因此电子罗盘只能指一个大致的方向，然后进行修正。此外，电子罗盘还容易受到如金属、扬声器、天线等磁场的干扰。尤其是应用在手机上时，需要特别小心地在PCB上选一个合适的位置。

陀螺仪侦测的是角速度。基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。"台风的形成就是基于这个原理。地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风。而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。"林尚宏用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。而要在MEMS器件中实现该原理做成陀螺仪，则复杂许多。"先用MEMS做一个震动系统，通过快速稳定的震动产生一个线性的运动V，当V的平面有一个旋转的拓扑出来的时候，就可以检测出科里奥利力的方向，根据公式可以算出角速度。用不同方向的震动来侦测出X、Y、Z轴的角速度，并可通过稳定的震荡去掉重力的干扰。"林尚宏解释道。

图2：MEMS陀螺仪工作原理模拟图示

"加速度传感器和电子罗盘以地球为参照物进行方向的侦测。加速度传感器侦测物体和重力角度的差异，电子罗盘侦测物体和北方角度的差异，如果侦测到地心和北方，就能定三轴。但是加速度传感器不光侦测重力，所有各个方向的力都会被侦测到；而电子罗盘侦测的磁场会被其他磁场所干扰。因此二者在检测物体运动时，有很多不足的地方。陀螺仪的参照物是自己本身，因此可以侦测出物体转换位置的过程。如果物体平放不动的时候，则只要使用加速度传感器或电子罗盘就够了。通过上述原理，我们可以把几种传感器配合使用，比如相互做精度校正，或一起完备地侦测出物体的运动方向和轨迹等。"林尚宏表示。

表一：常见传感器使用概况与分析

陀螺仪开启消费电子创新应用

陀螺仪的出现，给了消费电子很大的应用发挥空间。比如就设