MEMS陀螺:敏感结构 | 检测电路 | 集成封装

2024-04-28
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摘要 MEMS陀螺是一种利用哥氏效应敏感物体转动角速率的MEMS惯性传感器。它能够在同一块硅片上集成敏感结构和外围测控电路,具有成本低,体积小,重量轻,功耗低等优点。敏感结构是MEMS陀螺的核心部件,其与陀螺的标度因数,零偏以及抗振动等性能直接相关。


MEMS陀螺是一种利用哥氏效应敏感物体转动角速率的MEMS惯性传感器。它能够在同一块硅片上集成敏感结构和外围测控电路,具有成本低,体积小,重量轻,功耗低等优点。敏感结构是MEMS陀螺的核心部件,其与陀螺的标度因数,零偏以及抗振动等性能直接相关。本文将从MEMS陀螺的敏感结构,检测电路和集成封装出发,详细介绍MEMS陀螺的基础知识。


MEMS陀螺的敏感结构


如图1所示,X轴为MEMS陀螺的驱动轴,Y轴为检测轴,Z轴为角速率输入轴。质量块通过检测梁,驱动梁,顶梁以及支撑梁连接在锚点上,活动结构通过锚点悬浮于基地上。在驱动梳齿上施加驱动电压后,两质量块沿X轴相向振动,当有Z轴方向的角速率输入时,两质量块在哥氏力的作用下沿Y轴相向振动,形成差动检测电容。检测电容的变化量正比于输入角速率,通过测量电容的变化量可以测得输入角速率。当MEMS陀螺受到振动,冲击等线加速度作用时,两质量块受到的惯性力方向一致,从而在检测方向上形成共模信号输出。通过差动检测可以抑制共模误差,降低振动,冲击等对陀螺输出的影响。

传感专家

图1 双质量线振动MEMS陀螺敏感结构示意图


MEMS陀螺检测电路


MEMS陀螺ASIC电路为驱动闭环,检测开环方式,电路框图如图2所示。驱动环路包括C-V转换单元,∑-∆模-数转换单元,PLL自动增益控制单元以及∑-∆数-模转换单元等部分。由于采用∑-∆数字闭环方式,可以有效抑制寄生模态对器件性能的影响,提高了陀螺的抗干扰能力,避免静电吸附现象。

检测环路为开环形式,包括C-V转换单元,∑-∆ 模-数转换单元,补偿单元和滤波单元等,最终通过SPI接口实现角速率信号,温度信号和自检测信号的输出。通过数字补偿和滤波,可以有效提高陀螺的精度和环境指标。

传感专家

图2 MEMS陀螺ASIC电路框图


MEMS陀螺的集成封装


为了减小MEMS陀螺的体积重量,提高可靠性,采用两片式集成封装,将敏感结构和ASIC电路共同封装在一个陶瓷封装外壳中。与分立器件集成的MEMS陀螺相比,两片式集成的敏感结构和ASIC芯片通过引线键合实现信号互联,引线长度短,寄生电容很小。另一方面,两片式集成封装可以有效降低器件体积和重量,提高器件可靠性,实现MEMS陀螺在体积,重量和成本方面的突破。陀螺集成封装方案如图3所示。陶瓷封装外壳为LCC30封装,内部集成圆片级真空封装的敏感结构芯片和ASIC电路。

集成式MEMS陀螺重量仅为1.85克,功耗仅为0.125W,具有角速率信号输出,温度信号输出和自检测状态输出,可满足大部分工程应用需求。

传感专家

图3 MEMS陀螺集成封装示意图


ER-MG-57 and ER-MG2-50/100


MEMS陀螺按照精度级别主要分为导航级,战术级和消费级。消费级的MEMS陀螺主要应用于智能手机,VR等,而导航级和战术级主要应用于石油测井,航空航天,测绘,无人机等领域。

ER-MG-57是一款战术级MEMS陀螺,它采用LCC封装,标度因数为20000LSB/°/s,零偏不稳定性为1dph。它的尺寸为11×11×2mm,功耗仅为0.2W。

ER-MG2-50/100是一款导航级MEMS陀螺,同样采用LCC封装,标度因数在25℃的条件下为160000-80000 LSB/deg/s,零偏不稳定性为0.01-0.02deg/hr,导航级的精度比战术级高,更适用于高精度领域。同样地,它的尺寸为11×11×2mm,功耗仅为0.2W。图4为MEMS陀螺的实物图。

传感专家

图4 MEMS陀螺实物图


结论

本文介绍了MEMS陀螺的敏感结构,检测电路和集成封装,并且以两款不同级别的MEMS陀螺为例,介绍了不同级别MEMS陀螺的精度水平。

如果你对MEMS陀螺的相关知识感兴趣,欢迎联系我们。

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