体声波陀螺仪传感器引发惯性MEMS应用新变革

体声波陀螺仪的工作频率和构造使之最大拥有±5000°/s的动态范围和卓越的线性度(图3)，因而设计人员可以基于单个传感器设计方案创建出一系列广泛的应用。这一特性对于游戏平台尤具吸引力，包括Wii遥控器等专用控制器或手机、平板电脑等频繁更新其设计的多用途消费类游戏平台。

图4.体声波陀螺仪所测得的艾伦标准差曲线表明其偏置不稳定性为25°/h。

体声波陀螺仪工作频率范围在标准CMOS接口电路的闪烁噪声范围之外，这能使检测限制缩小。这将改进系统中的整体噪声，从而产生如图4所示的出众的偏置漂移性能，图中显示了所测到的某个典型体声波陀螺仪的艾伦标准差(root Allan deviation)曲线。

也许经过HARPSS制造工艺生产出来的体声波陀螺仪最突出的性能优势在于其抗随机振动和抗冲击性能。图5将其与当今消费类市场上常见的音叉架构陀螺仪做了对比。

图5.随机振动和冲击测试中陀螺仪输出偏置漂移对比，显示了体声波技术相较现有音叉架构的优势。

未来：功率更低、集成度更高以及更多创新

消费者要求产品不仅便携而且可以随时使用。这些无线产品只能通过电池供电，迫使设计人员始终将满足性能需求、提高电池续航能力及减少尺寸/重量放在首位。功耗较小的器件在工程设计权衡中总是占据一定优势。体声波陀螺仪的高频率传感器设计结合其高Q值机械增益和较小的驱动模态位移(低于20nm)，能够产生最小的每轴功率。功耗的降低意味着电池续航时间更长，同时消费者对于各个类型的可穿戴设备或电池供电的手持式设备的接受程度也会更高。

对于更看重性能和鲁棒性的工业和汽车应用来说，体声波陀螺仪体现了抗振动性、低噪声和线性度的完美结合。在汽车领域，防侧翻等关键安全应用正成为主流，同时在先进驾驶员辅助系统(ADAS)中利用陀螺仪控制进行雷达定位等新应用也逐渐普及。例如，在工业生产领域，陀螺仪正在逐步成为机器人自适应位置控制系统的关键组成部分。这些应用需具备良好的性能和鲁棒性，而体声波技术在这两方面颇具优势。

当旋转与其他形式的惯性感应相结合时，更多采用体声波MEMS技术的动态应用可以从中受益。个人或无人驾驶汽车导向系统要求配备惯性测量单元(IMU)，即囊括了加速计、陀螺仪、压力传感器及磁力计等元件的组合器件。HARPSS处理技术常常被称为MEMS的“CMOS”，它能将高性能三轴微陀螺仪与三轴微加速计，甚至还有三轴磁强计集成在同一衬底上，从而使IMU等器件拥有非常好的性能/尺寸/成本比。体声波陀螺仪可以在接近大气的条件下保持高Q值操作，因而不会限制同一平台上的压力传感器和加速计等器件的性能。

除了导航功能外，IMU还具有6~9自由度的感应功能，因而可为医疗影像设备、外科手术器械及先进修复术等应用提供超精细分辨率。此外，IMU也可以用于精度要求可能较低且近期之内没有可用或实际解决方案的应用上。更具说服力的例子包括智能高尔夫球杆、网球拍及棒球棒等能跟踪和记录运动员挥拍/杆过程中的每个动作，从而有利于用户完善球技。加速计会测量加速度、振动及挥动平面，而陀螺仪则会测量用户在挥拍/杆过程中手的内转或扭转动作。每种运动通常都会有自己的应用，每秒最高能够从传感器处记录到1000个数据点，并向用户准确展示他们击球的力度、速度和角度。甚至还有3D模型能够展示整个挥拍/杆过程，从而分析出用户的错误之处。每种运动都有专门针对相应需求定制的应用，它能记录运动或练习过程中收集的数据，并通过蓝牙将数据发送到智能手机或个人电脑上加以分析。

结论

采用当前尺寸的体声波陀螺仪的独特之处在于，其在提供低噪声性能和大动态范围及卓越线性度的同时，还具有卓越的抗温度和机械冲击/振动影响的能力，而且功耗也较低。该器件及其他基于HARPSS制造工艺的创新设计方案为系统提高集成度、减少尺寸、降低成本及降低复杂度提供了良好平台。体声波陀螺仪将会帮助设计工程师打造出此前无法实现的新产品，从而帮助他们在产品设计中实现创新，做到与众不同。