STMEMS陀螺儀以一個傳感構(gòu)造實現(xiàn)3軸角速度檢測的原理推測

此次能以同一構(gòu)造檢測3軸角速度的陀螺儀像2009年6月發(fā)表的技術(shù)一樣，在普通陀螺儀具備的圓盤狀鉛錘的內(nèi)側(cè)，又追加了用于檢測Z軸角速度的鉛錘……

圖1：臺灣成功大學在“IEEE Sensors 2008”上發(fā)表的、以同一構(gòu)造檢測3軸角速度的陀螺儀。數(shù)據(jù)由臺灣成功大學提供。(點擊放大)

圖2：根據(jù)臺灣成功大學的陀螺儀推測的3軸角速度檢測原理。X軸和Y軸的角速度通過旋轉(zhuǎn)擺動外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩個圓盤狀鉛錘，根據(jù)這兩個圓盤狀鉛錘各自的傾斜來進行檢測。而Z軸方向的角速度則根據(jù)一個圓盤狀內(nèi)部所形成的四個鉛錘向XY軸方向的運動來進行檢測。數(shù)據(jù)由臺灣成功大學提供。(點擊放大)
意法半導體（STMicroelectronics）推出了能夠用一個傳感構(gòu)造檢測出3軸角速度的靜電容量型MEMS陀螺儀（角速度傳感器，參閱本站報道）。不過，該公司并未公布以一個傳感構(gòu)造實現(xiàn)3軸角速度檢測的技術(shù)手段。因此，本站根據(jù)迄今為止學會上發(fā)表的同類3軸陀螺儀以及精通MEMS領(lǐng)域的技術(shù)人員的意見，對此次陀螺儀的原理和構(gòu)造進行了推測。

MEMS陀螺儀大多通過擺動鉛錘，以靜電容量檢測從外部施加角速度時引起的鉛錘運動變化來算出角速度。比如在Z軸周圍使鉛錘旋轉(zhuǎn)擺動的方法。該方法雖然可用同一構(gòu)造檢測出X軸及Y軸方向的角速度，但卻難以檢測Z軸方向的角速度。因此，現(xiàn)有的3軸角速度傳感器還需要準備另一個傳感構(gòu)造，以檢測Z軸方向的角速度。

對于能以一個構(gòu)造檢測3軸角速度的陀螺儀，意法半導體只透露了兩項信息：（1）采用了與現(xiàn)有MEMS傳感器相同的工藝技術(shù)；（2）傳感構(gòu)造及檢測方法等與原來相比沒有大的改變。

意法半導體曾在北約（NATO）2009年6月于俄羅斯圣彼得堡舉行的、以尖端研發(fā)為主題的研討會“Advanced Materials and Technologies for Micro/Nano-Devices, Sensors and Actuators（NanoDSA’2009）”上發(fā)表過該MEMS陀螺儀可能會應用的技術(shù)。

當時發(fā)表的是通過使圓盤狀鉛錘在Z軸周圍旋轉(zhuǎn)擺動來檢測Y軸角速度的單軸陀螺儀的構(gòu)造及檢測方法。具體而言，在通過梳齒狀靜電致動器旋轉(zhuǎn)擺動的圓盤狀鉛錘的內(nèi)部形成了兩個沿Z軸方向運動的檢測用鉛錘。通過使鉛錘旋轉(zhuǎn)擺動，以靜電容量檢測內(nèi)部兩個鉛錘沿Z軸方向的傾斜。該方法在（1）與原來相同的工藝技術(shù)以及（2）構(gòu)造及檢測方法這兩方面均不做大改動的情況下即可實現(xiàn)。

根據(jù)這一理由可以推測，此次能以同一構(gòu)造檢測3軸角速度的陀螺儀像2009年6月發(fā)表的技術(shù)一樣，在普通陀螺儀具備的圓盤狀鉛錘的內(nèi)側(cè)，又追加了用于檢測Z軸角速度的鉛錘。在MEMS相關(guān)學會上，此前已發(fā)表過多例憑借這一結(jié)構(gòu)，以同一構(gòu)造檢測3軸角速度的陀螺儀。有眾多推測認為，意法半導體此次推出的陀螺儀采用了與其中臺灣成功大學（National Cheng Kung University）的開發(fā)相類似的構(gòu)造及檢測方法。其依據(jù)是該陀螺儀不僅滿足（1）、（2）兩項的條件，而且還與北約2009年6月的研討會上的發(fā)表內(nèi)容接近。

臺灣成功大學開發(fā)的陀螺儀（圖1）在結(jié)構(gòu)上（a）具備外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩個圓盤狀鉛錘，并且（b）一個圓盤狀鉛錘的內(nèi)部被分成了八個區(qū)域，在其中四個區(qū)域又形成了單獨的鉛錘。X軸和Y軸的角速度（a）通過旋轉(zhuǎn)擺動外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩個圓盤狀鉛錘，根據(jù)這兩個圓盤狀鉛錘各自的傾斜來進行檢測。而Z軸方向的角速度則（b）根據(jù)一個圓盤狀內(nèi)部所形成的四個鉛錘向XY軸方向的運動來進行檢測（圖2）

采用該方法時，估計難點在于如何穿過起“扭簧”作用的梁架構(gòu)造，從驅(qū)動部分取出眾多布線。（記者：加藤 伸一）