[编者注:这是本年度ISSCC会议系列文章的第七篇，也是最后一篇，该会议聚焦于传感器和能量收集。前一篇文章讨论了自给自足的能量收获机．有关详情，请参阅ISSCC的议事程序。]

我们最后介绍的传感器可能是当今手机中最普遍、最明显的传感器之一:惯性测量单元(IMU)，或者，当你旋转手机时，它可以使手机的显示从纵向变成横向。

IMU是一个通用术语，包括任何检测动量变化的传感器，有三种经典类型:加速度计、陀螺仪和指南针。这三个都可以在我们的三个维度中工作，每个维度都有3个自由度(DOF)，所以典型的营销宣传是，任何拥有这三个传感器的设备都可以作为9-D或9DOF传感器，每个组件3个。这很容易接受，也很容易结束。

但稍微思考一下或上网浏览一下就会提醒你，即使你有三个3d传感器，你也只有六个自由度。

加速器负责线性动量，这里有三个正交的维度。它们是哪三个是任意的，但是，如果你有重力作为参考，那么很明显，它们是上/下，左/右，前/后。陀螺仪负责角动量，其中有三个维度。同样，它们是任意的，但如果你有地平线或其他平面作为参考和前进方向，那么它们就是滚(左右旋转)，俯仰(前上/下，后下/上)和偏航(在参考平面上旋转)。

那么你为什么不能从指南针上得到更多的自由度呢?因为没有更多的自由度了。指南针给了你另一种观点，你已经有六个。为什么这有用呢?

好吧，至少，它给了你另一个参考方向(加速度计可以检测重力):磁北。但它也在某种程度上帮助航海，这可以追溯到航运的早期:航迹推算。

有了基本的加速度计和陀螺仪，你就有了一个已知的起始位置，然后传感器检测你的运动，无论是横向的还是转弯的。通过跟踪这些，它应该能够告诉你最终的位置。但是航位推算的缺点是每次测量都有误差，如果在第一次移动之后，你计算错了下一个位置，即使是很小的误差，那么下一个移动就是从错误的地方跟踪的。如果下一个动作有误差，你就能得到图像。由于累积的错误，许多船最终会到达意想不到的地方。

指南针的好处是它给你一个参考系来帮助纠正这些错误。必须小心使用，因为根据你所处的位置，会有磁异常等情况，而且它可能假设极点上本身没有什么事情发生。但这就是指南针给你的——对你已经拥有的六个自由度进行交叉检查。

加速度计和陀螺仪是典型的微机电系统设备，最简单的设备只处理一维。它们涉及一种叫做a的物质证据质量它们的惯性构成了测量的基础。对于加速度计，悬臂是典型的;对于陀螺仪，振动音叉是一种常见的方法。对于最古老的单元来说，三维加速度计将包括一块板上的三个一维单元。

其中的挑战是对齐:它们需要彼此精确地90°以获得最佳精度。装配公差可能会使这成为一个挑战。将三个独立的单元放在一个芯片上是一种改进，因为它们是同时制造的，并且不能相互旋转。

对于陀螺仪，你也有振动频率的问题。让三个质量以相同的频率振动几乎是不可能的-在单位之间会有一些差异和一些串扰，即使-或者特别是如果，在串扰的情况下-它们在同一个基底上。

理论上，你不需要任何振动来检测旋转。旋转会产生两种假想的力:我们熟悉的离心力，它看起来是沿着旋转半径拉的;科里奥利力，它看起来是沿着与旋转相反的方向切向拉的。科里奥利力对旋转感兴趣。

科里奥利力在讨论行星问题时可能更常见，比如天气，水从浴缸里往下流的方式(后者表面上是一个神话般的应用)，以及炮弹的轨迹(如果没有军事应用，它就无处可去)。这些情况包括不与旋转框架耦合的东西:空气或水。从外面看，如果你观察到一块不动的空气(和我一起工作)，它看起来就像地球在它下面移动。但是从地球上的人的观点来看，地球似乎是静止的，而空气似乎在流动。

在传感器中情况略有不同，因为证明质量(比一片空气更容易观察)附着在旋转框架上，所以如果它是无限刚性的(请不要要求对此的正式定义)，它会简单地随着它旋转，不会有科里奥利效应。但是想象一下，你有一个悬臂，它不是在典型的上下方向上有弹性，而是在左右方向上，末端有一个重物。如果你旋转整个物体，重物就会想要保持不动，这是可以的，因为有弹性的附着，所以从悬臂的角度来看，重物看起来是反着旋转的方向移动的。如果旋转停止，弹簧就会使重物回到直线上。

这里只有一个问题:很难(可能不可能)判断这个重量是由于旋转而移动，还是只是线性运动。但如果你拿起悬臂，把它钉在中间而不是末端——一种拉锯式的安排，有两个重物，你现在就能分辨出区别了。如果加速度是线性的，两个重物看起来会朝着同一个方向移动。如果是有角的，它们会向相反的方向运动。(如果两者都是，两端的移动量就会不相等。)

注意，这些效果不需要振动。有振动的好处是，你得到一个周期信号，更容易测量和滤波，以达到所需的质量。我们讨论的是非常小质量的非常小的运动，所以灵敏度和准确性是至关重要的。

具体的ISSCC论文(是的，我们最终会到达那里)，由ST微电子和帕多瓦大学的Luciano Prandi等人撰写，讨论了一个陀螺仪单提供所有三个自由度的质量证明。这不仅完全解决了对齐问题，而且还节省了空间。另外，防振质量只有一个，而不是三个。

如果你只测量一个角度维度，你可以简单地依赖于主振动模式。在传统的安排中，三个音叉提供三个独立的主振动模式(忽略了平面内旋转的独立挑战)。相比之下，对于单一振动质量，该团队仅使用主要模式来驱动振动(并为驱动目的而感知振动);他们使用辅助模式来感知旋转。

证明质量包括四个梯形质量连接的弹簧在外角和更多的弹簧到一个中央横梁。振动由两端的梳指驱动器驱动。另外两个相反的方向感应到振动——感应到的振动(主要模式)被插入反馈回路，以建立一个坚实、稳定的振动。每个梯形在主要模式下从中心进进出出，但四个梯形是一致的，所以整个单元交替扩张和收缩，因此它被称为“跳动的心脏”。

传感是通过测量关键位置的电容来完成的，这是二次振动模式的结果。还有一种次级模式，即每个相对的梯形在相反的方向上振动。这些是用来检测滚动和俯仰，这改变了飞机的方向。偏航，这是在平面内的旋转，是由平行板在相对两侧的单元检测。

这种安排和后续的信号处理实现了非常高的性能，交叉轴灵敏度小于满量程的2%;他们声称这主要是由于组装时不断增加的公差。同样重要的是它不受外界噪音的干扰——邻居一直抱怨的低音炮。或者只是你的手机播放的音乐，同时它还在判断它是否被颠倒了。当单元静止，正弦扫频从500到25000 Hz时，所有三个维度的读数最多约为满量程的0.05%。

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