MEMS陀螺：敏感结构 | 检测电路 | 集成封装

ericco741@163.com 20240428

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。

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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。

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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。

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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。

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