【转】MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用）

MEMS传感器市场的浪潮可以从最早的汽车电子到近年来的消费电子，以及即将到来的物联网时代。如今单一的传感器已不能满足人们对功能、智能的需要，像包括MEMS惯性传感器，MEMS环境传感器，MEMS各种传感器的数据集成，如光学传感器，甚至生物传感器，都将成为新时代传感器应用的趋势。 工欲善其事，必先利其器，这里先用MEMS陀螺仪开始简要介绍MEMS陀螺仪，主要性能参数及使用。 传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理，即：对旋转的物体，它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。MEMS陀螺仪主要采用科里奥利力（径向运动时旋转物体的切向力）的原理。公共微机械陀螺仪采用振动物体传感角速度的概念，利用振动诱导和探测科里奥利力。 MEMS陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，根据音叉机制进行共振运动，角速率通过科里奥利力原理转换为特定感知结构的位移。单轴偏移(偏航，YAW）以陀螺仪为例，通过图利探讨最简单的工作原理。 两个相同的质量块以方向相反的做水平震荡，如水平方向箭头所示。当外部施加角速率时，科氏力垂直于质量运动方向，如垂直箭头所示。科氏力使感知质量位移，位移与施加的角速率成正比。由于传感器传感部分的动态电极（转子）位于固定电极（定子）的侧面，上述位移会导致定子和转子之间的电容变化，因此在陀螺仪输入部分施加的角速率转换为可以检测到的电子参数电容量。

下图是一种MEMS陀螺仪的系统架构，陀螺仪的信号调节电路可分为电机驱动和加速度计感知电路两部分。其中，电机驱动部分通过静电驱动方法振动驱动电路前后，激励机械元件；感知部分通过测量电容变化来测量科氏力在感知质量上的位移。

当然，MEMS陀螺仪还具有自检功能电路、低功耗、运动唤醒电路等功能模块。

下面参考ADI芯片手册，介绍MEMS陀螺仪的主要性能参数。

• 量程(动态范围) Dynanmic Range、灵敏度 Sensortivity 陀螺仪的量程通常以正反方向输入角速率的最大值表示，例如：±300°/sec。该值越大，陀螺仪的敏感角速率越强。在此输入角速率范围内，陀螺仪刻度因子的非线性度可以满足规定的要求，通常可以配置陀螺仪的范围。 灵敏度(分辨率)表示在规定的输入角速率下能感知到的最小输入角速率的增量，如0.05°/sec/LSB。一般而言MEMS陀螺仪的测量范围越大，灵敏度就会相应降低。

  ADIS16365的测量范围可选，分别是±300°/sec, ±150°/sec和±75°/sec。 灵敏度是指在规定的输入角速率下敏感的最小输入角速率增量。 ±300°/sec测量范围：0.05 °/sec /LSB灵敏度 ±150°/sec测量范围：0.025 °/sec /LSB灵敏度 ±75°/sec测量范围：0.0125 °/sec /LSB灵敏度

• 刻度因子(标度因数) 刻度因子是指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。该比值由一个特定的直线斜率表示，根据整个输入角速率范围内测量的输入输出数据，用最小的二乘法拟合。

• 非线性度 Nonlinearity 非线性度是指在输入角速率范围内，陀螺仪输出与最小二乘法拟合线的最大偏差与最大输出之比，表示陀螺仪实际输入输出数据的偏差，决定拟合数据的可信度。

• 线性加速度灵敏度Linear Acceleration Effect on Bias 线性加速度的灵敏度反映了陀螺仪对加速度的敏感性，单位是degree/sec/g。

• 振动敏感性是指陀螺仪对振动的敏感性，单位是degree/sec/g2.陀螺仪对线性加速度和振动越不敏感，陀螺仪的性能越好，构建的算法效。

• 封装误差 Misalignment 封装误差是裸片对角线和封装对角线的夹角。

• 零偏 InitialBias Error、零偏稳定性 In-Run Bias Stability 零偏差是指陀螺仪在零输入状态下的输出，将长期输出的平均等效转换为输入角速率，即观测值围绕零偏差的离散程度，如0.005 degree/sec说明每秒都会漂0.005 degree。长期稳态输出在零输入状态下是一个稳定的随机过程，即稳态输出将围绕平均（零偏差）的起伏和波动，通常用平均方差表示，定义为零偏差稳定性。初始零偏差误差可以理解为静态误差，可以用软件校准，不会随时间波动。

• 输出噪声 Output Noise、噪声密度 Rate Noise Density 当陀螺仪处于零输入状态时，脱落的输出信号是白噪声和慢变随机函数的叠加。漫变随机函数可用于确定零偏差和零偏差稳定性指标。白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价旋转角速度的标准偏差（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。这种白噪也可以用单位作为 degree/√Hz 随机游走系数是指由白噪声随时间积累的陀螺仪输出误差系数。当外部条件基本不变时，可以认为上述噪声的主要统计特征不会随着时间的推移而改变。

• 偏置电压灵敏度 Bias Voltage Sensitivity 指陀螺仪输出对供电电源变化的敏感性，如：±0.3°/sec/V，也就是说，电源的每个变化1V，输出角速率变化多少？

• 带宽是指陀螺仪能够准确测量输入角速率的频率范围，这表明陀螺仪的动态响应能力越强。

• 使用前自动测试设备的机械和自检功能CMOS为了提供系统的鲁棒性，电路部分。

• 功耗包括陀螺仪在不同分辨率或数据输出率下运行时的功耗和休眠功耗。这一指标在可穿戴、物联网应用等低功耗应用中尤为重要。

• 冲击生存能力是指陀螺仪承受不同程度加速冲击的能力，如：2万g加速冲击后，陀螺仪确保系统正常工作。考虑到陀螺仪的应用环境可能会受到很大的影响，这一指标尤为重要。一般来说，陀螺仪在正常工作前必须重新启动并上电。

• MEMS陀螺仪的机械架构决定了温度会影响数据输出，超过工作温度范围可能导致数据输出偏差较大。

参考文章：MEMS陀螺仪简介(性能参数及使用)_技术_技术_全球无人机网络陀螺仪数据手册各参数的意义--ADI_清仪_新浪博客