论文部分内容阅读
[摘 要]MEMS陀螺仪是MEMS领域传感器中非常重要的一类器件，它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性好和测量范围大等优良特性，目前在汽车和消费电子等领域有日益广泛的应用。本文研究了MEMS陀螺仪在运动相机行业中的应用，首先介绍了MEMS陀螺仪的工作原理，然后结合目前流行的运动相机探讨了MEMS陀螺仪在该领域的发展和应用，最后总结了MEMS陀螺仪在其他领域未来的发展趋势。
[关键词]MEMS陀螺仪；传感器；运动相机
中图分类号：V241.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0089-01
1.引言
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是微电子机械系统的简称，它是以微电子技术（半导体制造技术）即微米/纳米技术为发展基础的本世纪前沿技术。在MEMS中常见的微传感器产品包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器和MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。
陀螺仪的回转效应是指在一定的初始状态和一定的外力矩作用下，陀螺不停地做自转运动，于此同时，它还环绕着另一个固定的转轴不停地做旋转，这个固定的转轴的指向不会跟着承载陀螺仪的支架的旋转发生变化，这体现了角动量守恒原理。但是MEMS陀螺仪的工作原理与此不同，因为利用微机械技术在陀螺仪硅片衬底上加工出一个可转动的结构难度很大，MEMS陀螺仪则利用科里奥效应测量运动物体的角速率。
2.MEMS陀螺仪介绍
2.1 工作原理
如上图所示，一个质量为m的物体上的质点以速度沿着X轴做连续运动，图中蓝色箭头所示即是。只要从外部施加一个旋转角速率，就会出现一个切向力——科里奥利力，力的方向和质点运动方向相互垂直，图中黄色箭头所示即时。产生的科里奥利力会使上述的感应质点发生相应的位移，力学表达式为。
现在，经常使用的 MEMS陀螺仪大部分采用调音叉结构。调音叉结构由两个振动并时刻在地做反向运动的质点组成，如图2所示。当对质点施加角速率时，根据科里奥利效应，每个质点上会产生相反方向的科里奥利力，传感器感应部分的运动电极即转子位于固定电极即定子的一侧，科里奥利力使质点产生的位移将引起定子和转子之间电容值得变化，电容变化量与角速率成正比，所以，在MEMS陀螺仪输入单元施加的角速率值被转化为一个可以用相应电路检测的电参数。
2.2 硬件组成
MEMS陀螺仪内部的结构简图如图3所示。
其中信号调节电路由电机驱动电路部分和加速传感器感应电路两部分组成，电机驱动电路部分利用静电激励原理，使驱动电路发生前后振荡，通过振荡为可以给机械元件提供励磁；加速传感器感应电路部分则通过测算电容差值的变化来测量科里奥利力在感应质点上发生的位移。这是一个可靠稳健的技术，它可以输出一个强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。系统的控制电路具有节电措施的电源关断功能，当传感器功能不使用时，整个传感器会进行关闭，或让其进入深度睡眠模式，从而可以大大降低陀螺仪的总功耗量，为设备持久使用提供一种节能方案。当需要检测传感器上施加的角速率时，在检测到使用者的命令后，传感器可从睡眠模式中立即唤醒。
3.MEMS陀螺仪在运动相机中的应用
近些年来，运动摄像机逐渐流行，人们可以把它固定在移动的车体或头盔上，同样也可以用于在水中或者其他不同恶劣环境中拍摄图片和影像，受到了青年人和户外运动爱好者的青睐。
运动相机会时常处于颠簸抖动状态，因此，消除抖动对于运动相机拍摄很重要，否则会造成拍摄出来的视频或者照片清晰度不够，甚至可能出现重影或者模糊不清的糟糕情形。究其原因，这是在我们拍摄过程中，光线进入图像感知器后，在感光过程中的细微抖动造成的。
实现防抖动的方式有很多种，较常见的是电子防抖和光学防抖两种方式。电子防抖主要使用数字电路对拍摄画面进行调整处理，具有成本低廉的特点，但它大大降低了图像传感器的利用率，会影响和损失画面清晰度和分辨率。与电子防抖比较而言，光学防抖原理很简单，我们可以在镜头内安装MEMS陀螺仪，根据上述原理来消除摄像机镜头的微小抖动。当MEMS陀螺仪感知到镜头微小的抖动时，就会马上将采集到的抖动信号快速反馈给相机的微处理器，通过微处理器的消抖和合适的滤波算法来得到相应数据，对镜头的位移量进行精确补偿，运动相机会根据补偿量调用补偿镜头组或者移动图像传感器，以达到消除抖动的目的，来确保镜头的稳定性。系统矫正的过程如图4所示。使用安装有MEMS陀螺仪的运动相机同样可以在比较颠簸或者抖动较大的场合拍摄清晰的画面，满足广大户外运动者对于拍摄画面的要求。
4.总结
MEMS陀螺仪除了在运动相机有深入应用外，还可以广泛应用在如下领域：
游戏：可通过MEMS陀螺仪实现高速游戏，这些游戏需要侦测快速挥动，如高尔夫和斗剑等；
人机交互：MEMS陀螺仪可以像鼠标作为一种人机交互的工具，可以实现空中写字或通过手势来控制设备。
导航服务：MEMS技术整合加速计、MEMS陀螺仪和MEMS磁感应计，并均衡地利用这三者各自的优良特性组成惯性测量单元（IMU），平台开发商可以把IMU与较传统的GPS系统配合使用做二次开发，在卫星信号很弱的市区和根本没有信号地下环境中仍然可以提供人性化的导航服务。
此外，由于MEMS陀螺仪具有极高的自动化程度和集成化，未来会在航空航天、信息通信、医疗、自动控制、消费电子等领域有更加广泛的出色表现。
[关键词]MEMS陀螺仪；传感器；运动相机
中图分类号：V241.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0089-01
1.引言
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是微电子机械系统的简称，它是以微电子技术（半导体制造技术）即微米/纳米技术为发展基础的本世纪前沿技术。在MEMS中常见的微传感器产品包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器和MEMS湿度传感器等以及它们的集成产品。
陀螺仪的回转效应是指在一定的初始状态和一定的外力矩作用下，陀螺不停地做自转运动，于此同时，它还环绕着另一个固定的转轴不停地做旋转，这个固定的转轴的指向不会跟着承载陀螺仪的支架的旋转发生变化，这体现了角动量守恒原理。但是MEMS陀螺仪的工作原理与此不同，因为利用微机械技术在陀螺仪硅片衬底上加工出一个可转动的结构难度很大，MEMS陀螺仪则利用科里奥效应测量运动物体的角速率。
2.MEMS陀螺仪介绍
2.1 工作原理
如上图所示，一个质量为m的物体上的质点以速度沿着X轴做连续运动，图中蓝色箭头所示即是。只要从外部施加一个旋转角速率，就会出现一个切向力——科里奥利力，力的方向和质点运动方向相互垂直，图中黄色箭头所示即时。产生的科里奥利力会使上述的感应质点发生相应的位移，力学表达式为。
现在，经常使用的 MEMS陀螺仪大部分采用调音叉结构。调音叉结构由两个振动并时刻在地做反向运动的质点组成，如图2所示。当对质点施加角速率时，根据科里奥利效应，每个质点上会产生相反方向的科里奥利力，传感器感应部分的运动电极即转子位于固定电极即定子的一侧，科里奥利力使质点产生的位移将引起定子和转子之间电容值得变化，电容变化量与角速率成正比，所以，在MEMS陀螺仪输入单元施加的角速率值被转化为一个可以用相应电路检测的电参数。
2.2 硬件组成
MEMS陀螺仪内部的结构简图如图3所示。
其中信号调节电路由电机驱动电路部分和加速传感器感应电路两部分组成，电机驱动电路部分利用静电激励原理，使驱动电路发生前后振荡，通过振荡为可以给机械元件提供励磁；加速传感器感应电路部分则通过测算电容差值的变化来测量科里奥利力在感应质点上发生的位移。这是一个可靠稳健的技术，它可以输出一个强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。系统的控制电路具有节电措施的电源关断功能，当传感器功能不使用时，整个传感器会进行关闭，或让其进入深度睡眠模式，从而可以大大降低陀螺仪的总功耗量，为设备持久使用提供一种节能方案。当需要检测传感器上施加的角速率时，在检测到使用者的命令后，传感器可从睡眠模式中立即唤醒。
3.MEMS陀螺仪在运动相机中的应用
近些年来，运动摄像机逐渐流行，人们可以把它固定在移动的车体或头盔上，同样也可以用于在水中或者其他不同恶劣环境中拍摄图片和影像，受到了青年人和户外运动爱好者的青睐。
运动相机会时常处于颠簸抖动状态，因此，消除抖动对于运动相机拍摄很重要，否则会造成拍摄出来的视频或者照片清晰度不够，甚至可能出现重影或者模糊不清的糟糕情形。究其原因，这是在我们拍摄过程中，光线进入图像感知器后，在感光过程中的细微抖动造成的。
实现防抖动的方式有很多种，较常见的是电子防抖和光学防抖两种方式。电子防抖主要使用数字电路对拍摄画面进行调整处理，具有成本低廉的特点，但它大大降低了图像传感器的利用率，会影响和损失画面清晰度和分辨率。与电子防抖比较而言，光学防抖原理很简单，我们可以在镜头内安装MEMS陀螺仪，根据上述原理来消除摄像机镜头的微小抖动。当MEMS陀螺仪感知到镜头微小的抖动时，就会马上将采集到的抖动信号快速反馈给相机的微处理器，通过微处理器的消抖和合适的滤波算法来得到相应数据，对镜头的位移量进行精确补偿，运动相机会根据补偿量调用补偿镜头组或者移动图像传感器，以达到消除抖动的目的，来确保镜头的稳定性。系统矫正的过程如图4所示。使用安装有MEMS陀螺仪的运动相机同样可以在比较颠簸或者抖动较大的场合拍摄清晰的画面，满足广大户外运动者对于拍摄画面的要求。
4.总结
MEMS陀螺仪除了在运动相机有深入应用外，还可以广泛应用在如下领域：
游戏：可通过MEMS陀螺仪实现高速游戏，这些游戏需要侦测快速挥动，如高尔夫和斗剑等；
人机交互：MEMS陀螺仪可以像鼠标作为一种人机交互的工具，可以实现空中写字或通过手势来控制设备。
导航服务：MEMS技术整合加速计、MEMS陀螺仪和MEMS磁感应计，并均衡地利用这三者各自的优良特性组成惯性测量单元（IMU），平台开发商可以把IMU与较传统的GPS系统配合使用做二次开发，在卫星信号很弱的市区和根本没有信号地下环境中仍然可以提供人性化的导航服务。
此外，由于MEMS陀螺仪具有极高的自动化程度和集成化，未来会在航空航天、信息通信、医疗、自动控制、消费电子等领域有更加广泛的出色表现。