Introduction to MEMS Gyroscopes

Introduction to MEMS gyroscopes 11/15/2010 By Jay Esfandyari, Roberto De Nuccio, Gang Xu, STMicroelectronics (November 15, 2010) -- Jay Esfandyari, Roberto De Nuccio, Gang Xu, STMicroelectronics, introduce how MEMS gyroscopes work and their applications, the main parameters of a MEMS gyroscope with analog or digital outputs, practical MEMS gyroscope calibration techniques, and how to test the MEMS gyroscope performance in terms of angular displacement. The significant size reduction of multi-axis MEMS gyroscope structures and their integration with digital interface into a single package of a few square millimeters of area at an affordable cost have accelerated the penetration of MEMS gyroscopes into hand-held devices. MEMS gyroscopes have enabled exciting applications in portable devices including optical image stabilization for camera performance improvement, user interface for additional features and ease of use, and gaming for more exciting entertainment. Further applications such as dead reckoning and GPS assistance that require high sensitivity, low noise, and low drift over temperature and time are on the horizon. Here, we discuss the methods and techniques of quickly getting meaningful information from a MEMS gyroscope in terms of angular velocity and angular displacement measurements. MEMS gyroscope introduction MEMS gyroscopes are making significant progress towards high performance and low power consumption. They are mass produced at low cost with small form factor to suit the consumer electronics market. MEMS gyroscopes use the Coriolis Effect to measure the angular rate, as shown in Figure 1.

Figure 1. Coriolis effect. When a mass (m) is moving in direction v→ and angular rotation velocity Ω→ is applied, then the mass will experience a force in the direction of the arrow as a result of the Coriolis force. And the resulting physical displacement caused by the Coriolis force is then read from a capacitive sensing structure. Most available MEMS gyroscopes use a tuning fork configuration. Two masses oscillate and move constantly in opposite directions (Figure 2). When angular velocity is applied, the Coriolis force on each mass also acts in opposite directions, which result in capacitance change. This differential value in capacitance is proportional to the angular velocity Ω > and is then converted into output voltage for analog gyroscopes or LSBs for digital gyroscopes. When linear acceleration is applied to two masses, they move in the same direction. Therefore, there will be no capacitance difference detected. The gyroscope will output zerorate level of voltage or LSBs, which shows that the MEMS gyroscopes are not sensitive to linear acceleration such as tilt, shock, or vibration.

Figure 2. When angular velocity is applied. MEMS gyroscope applications MEMS gyroscopes can measure angular velocity. Digital cameras use gyroscopes to detect hand rotation for image stabilization. A yaw rate gyroscope can be used in cars to activate the electronic stability control (ESC) brake system to prevent accidents from happening when the car is making a sharp turn. And a roll gyroscope can be used to activate airbags when a rollover condition happens. A yaw rate gyroscope can be used in cars to measure the orientation to keep the car moving on a digital map when GPS signal is lost. This is called car dead-reckoning backup system. The yaw rate gyroscope can also be used for indoor robot control. Multiple inertial measurement units (IMUs) can be mounted on arms and legs for body tracking and monitoring. The IMU can also be used for air mouse application, motion gaming platforms and personal navigation devices with the integration of magnetometer and GPS receiver. Understanding the major parameters of MEMS gyroscopes Power supply (Volts): This parameter defines the gyroscope operating DC power supply voltage range.

Power supply current (mA): This parameter defines the typical current consumption in operation mode. Power supply current in sleep mode (mA): This parameter defines the current consumption when the gyroscope is in sleep mode. Power supply current in power-down mode (uA): This parameter defines the current consumption when the gyroscope is powered down. Full scale range (dps): This parameter defines the gyroscope measurement range. Zero-rate level (Volts or LSBs): This parameter defines the zero rate level when there is no angular velocity applied to the gyroscope. Sensitivity (mV/dps or dps/LSB): Sensitivity in mV/dps defines the relationship between 1dps and the analog gyroscope’s output voltage change over the zero-rate level. For digital gyroscopes, the sensitivity (dps/LSB) is the relationship between 1LSB and dps. Sensitivity change vs. temperature (%/°C): This parameter defines when temperature changes from 25°C room temperature, how the sensitivity will change in percentage per °C. Zero-rate level change vs. temperature (dps/°C): This parameter defines, when temperature changes from 25°C, how the zero-rate level will change per °C. Non linearity (% FS): This parameter defines the maximum error between the gyroscope’s outputs and the best fit straight line in percentage with respect to full scale (FS) range. System bandwidth (Hz): This parameter defines the angular velocity signal frequency from DC to the built-in bandwidth (BW) that the analog gyroscopes can measure. Rate noise density (dps/√Hz): This parameter defines the standard resolution for both analog and digital gyroscopes that one can get from the gyroscopes’ outputs together with the BW parameter. Self-test (mV or dps): This feature can be used to verify if the gyroscope is working properly or not without physically rotating the printed circuit board (PCB) after the gyroscope is mounted on the PCB. Calibrating a MEMS gyroscope Gyroscopes are usually factory tested and calibrated in terms of zero-rate level and sensitivity. However, after the gyroscope is assembled on the PCB, due to the stress, the zero-rate level and sensitivity may change slightly from the factory trimmed values. For applications such as gaming and remote controllers, one can simply use the typical zerorate level and sensitivity values in the datasheet to convert gyroscope measurement to angular velocities. For more demanding applications the gyroscope needs to be calibrated for new zero-rate level and sensitivity values and other important parameters such as:      

Misalignment (or cross-axis sensitivity) Linear acceleration sensitivity or g-sensitivity Long term in-run bias stability Turn-on to turn-on bias stability Bias and sensitivity drift over temperature Getting rid of zero-rate instability

The gyroscope output can be expressed as Equation 1. Rt = SC × (Rm - R0) Where, Rt (dps): true angular rate Rm (LSBs): gyroscope measurement R0 (LSBs): zero-rate level SC (dps/LSB): sensitivity

(1)

In order to compensate for turn-on to turn-on bias instability, after the gyroscope is powered on, one can collect 50 to 100 samples and then average these samples as the turn-on zero-rate level R0, assuming that the gyroscope is stationary. Due to temperature change and measurement noise, the gyroscope readings will vary slightly when the gyroscope is stationary. It is necessary to set a threshold Rth to zero the gyroscope readings if the absolute value is within the threshold as shown in Equation 2. This will get rid of the zero-rate noise so that the angular displacement will not accumulate when the gyroscope is stationary. ΔR = (Rm - R0) = 0 if |(Rm - R0)| < Rth (2) Every time the gyroscope is stationary, one can sample 50 to 100 gyroscope datum and then average these samples as new zero-rate level R0. This will eliminate the zero rate in-run bias and small temperature change. After the zero-rate instability has been taken care of from the above steps, then Equation (1) becomes Rt = SC × (Rm - R0) = SC × ΔR (3) So the next step will be to determine the sensitivity SC in Equation 3 by using a reference system. It should be emphasized that the MEMS gyroscope sensitivity usually is very stable over time and temperature and this calibration is needed only for high-sensitivity applications as mentioned above. Using a rate table to determine gyroscope sensitivity Because gyroscopes can measure the angular rate directly, the rate table is a perfect reference to calibrate the gyroscope sensitivity. An accurate rate table includes a built-in temperature chamber and sits on a vibration isolation platform so that the rate table is not sensitive to environment vibration during calibration. One can mount the hand-held device in an orthogonal aluminum cube or plastic box and then mount the whole system on the rate table for calibration. Control the rate table to spin at two different angular rates clockwise and counterclockwise. For multi-axis gyroscopes, put the orthogonal box at different orientation on the rate table and repeat the above process. After collecting the gyroscope raw data in different situations, the zero-rate level, sensitivity, misalignment matrix and g-sensitivity values can be determined. Another option is a step motor spin table to calibrate the gyroscope. The spin table can be programmed and controlled by a PC. Using a digital compass to determine gyroscope sensitivity The other option is to use a digital compass to calibrate the gyroscope if there is no rate table available.

Before gyroscope calibration, the digital compass needs to be calibrated for tilt compensation and operate on a table without surrounding magnetic interference field. Then combining digital compass relative heading information and gyroscope output data at constant sampling time interval, the gyroscope sensitivity can be calibrated as shown in Equation 4. H(n) = H(1) + h × SC × n/∑/i-1 ΔR(i) (4) Where, n: samples collected h: sampling time interval. H(1): initial electronic compass heading H(n): the new compass heading at nth sample SC (dps/LSB): gyroscope sensitivity ΔR(i): gyroscope output data after removal of zero-rate level and dead zone at ith sample Equation 4 can be rewritten as: H = SC × G (5) Where,

Then from Equation 5, one can get the SC based on Least Square method. SC = [GT × G]-1 × GT × H (6) Figure 3 shows the plot of compass relative heading change in degrees and the gyroscope angular displacement after integration in degrees.

Figure 3. Compass relative heading and gyroscope angular displacement In Figure 3, one can see that the compass relative Heading change (red) and the gyroscope angular displacement (blue) have perfect linear relationship. By applying Equation 6, one can obtain the gyroscope sensitivity calibration parameter. Testing a MEMS gyroscope After gyroscope calibration, the last step is to test the performance of the gyroscope to understand how to obtain meaningful angular displacement information from the gyroscope raw data. Test 1: When gyroscope is stationary. When gyroscope is not rotating, the gyroscope output raw data should be around the zero-rate level and the gyroscope heading after integration should be always 0°. Test 2: When gyroscope is rotating full round clockwise. After sampling 30 to 50 samples of the gyroscope raw data as the new zero-rate level offset, rotate the gyroscope clockwise 90°, and then another 90°, till full round 360°. The plot is shown in Figure 4. The peak of each 90° rotation gyroscope raw data is different showing that the angular velocity is slower or faster. But the error of the final angular displacement is only about 0.6°.

Figure 4. Single axis gyroscope rotating full round clockwise. Test 3: When gyroscope is rotating full round counterclockwise. After sampling 30 to 50 samples of the gyroscope raw data as the new zero-rate level offset, rotate the gyroscope counterclockwise 90°, and then another 90°, till full round 360°. In this case the angular velocity polarity is positive other than negative in Figure 4. Conclusion Advances in MEMS technology and processes have led to low-cost, high-performance MEMS gyroscopes with lower power consumption and smaller size, enabling new exciting applications in handheld devices. MEMS gyroscopes are calibrated during the characterization and qualification process. They do not require re-calibration for most applications. However, for complex and demanding applications such as navigation and dead reckoning, re-calibrate the zero-rate level and sensitivity after the gyroscope is mounted on the PCB is recommended.

References. 1. STMicroelectronics MEMS gyroscopes Presentation,http://www.st.com/stonline/domains/support/epresentations/memsgyrosc opes/gyros.htm 2. STMicroelectronics MEMS gyroscope Portfolio: LY330ALH, L3G4200D, http://www.st.com/stonline/products/families/sensors/gyroscopes.htm Jay Esfandyari received his Master’s degree and Ph.D. in EE from the University of Technology in Vienna and is MEMS product marketing manager at STMicroelectronics, 750 Canyon Dr., Coppell, TX, 75019; (972) 971-4969;[email protected].

Roberto De Nuccio received his Master’s degree in Telecommunication engineering in Milan / Italy and is business development manager at STMicroelectronics. Gang Xu received his Ph. D from Shanghai Jiao Tong University and senior application engineer at STMicroelectronics. Follow Small Times on Twitter.com by clicking www.twitter.com/smalltimes. Or join our Facebook group http://www.electroiq.com/articles/stm/2010/11/introduction-to-mems-gyroscopes.html

Introducción a los giroscopios MEMS 11/15/2010 Por Jay Esfandyari, Roberto De Nuccio, Gang Xu, STMicroelectronics (15 de noviembre de 2010) - Jay Esfandyari, Roberto De Nuccio, Gang Xu, STMicroelectronics, cómo introducir MEMS trabajo giroscopios y sus aplicaciones, los parámetros principales de un giroscopio MEMS con salidas analógicas o digitales, prácticas técnicas giroscopio MEMS de calibración, y cómo para probar el rendimiento giroscopio MEMS en términos de desplazamiento angular. La reducción de tamaño importante de ejes múltiples estructuras MEMS giroscopio y su integración con la interfaz digital en un solo paquete de unos pocos milímetros cuadrados de zona a un precio asequible han acelerado la penetración de los giroscopios MEMS en los dispositivos de mano. Giroscopios MEMS han permitido a interesantes aplicaciones en dispositivos portátiles como la estabilización de imagen óptica para mejorar rendimiento de la cámara, la interfaz de usuario para funciones adicionales y la facilidad de uso, y juegos de entretenimiento más emocionante. Otras aplicaciones como la navegación a estima y la asistencia que requieren GPS de alta sensibilidad, bajo ruido y baja desviación respecto a la temperatura y el tiempo están en el horizonte. A continuación, se discuten los métodos y técnicas de obtener rápidamente información significativa de un giroscopio MEMS en términos de velocidad angular y las mediciones de desplazamiento angular. MEMS introducción giroscopio Giroscopios MEMS están haciendo progresos significativos hacia el alto rendimiento y bajo consumo de energía. Ellos son producidos en masa a bajo coste con factor de forma pequeño para satisfacer el mercado de la electrónica de consumo. giroscopios de MEMS utilizar el efecto Coriolis para medir la velocidad angular, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Efecto de Coriolis. Cuando una masa (m) se está moviendo en la dirección de v → angular y la velocidad de rotación Ohmio → se aplica, a continuación, la masa experimentará una fuerza en la

dirección de la flecha, como resultado de la fuerza de Coriolis.Y el desplazamiento resultante físico causado por la fuerza de Coriolis es leído a partir de una estructura de detección capacitiva. Giroscopios MEMS más disponibles utilizan una configuración de tenedor de sintonía. Dos masas oscilan y se mueven constantemente en direcciones opuestas (Figura 2). Cuando la velocidad angular es aplicada, la fuerza de Coriolis en cada masa también actúa en direcciones opuestas, que dan como resultado el cambio de capacitancia.Este valor diferencial en la capacitancia es proporcional a la velocidad angular> Ω y después se convierte en la tensión de salida para los giroscopios analógicos o digitales LSBs para giroscopios. Cuando la aceleración lineal se aplica a dos masas, que se mueven en la misma dirección. Por lo tanto, no habrá ninguna diferencia de capacitancia detectada. El giroscopio es la salida de tasa cero nivel de tensión o LSB, que muestra que los giroscopios MEMS no son sensibles a la aceleración lineal, como la inclinación, golpes o vibraciones.

Figura 2. Cuando la velocidad angular se aplica. Aplicaciones de MEMS giroscopio Giroscopios MEMS puede medir la velocidad angular. Cámaras digitales utilizan giroscopios para detectar la rotación de mano de estabilización de imagen. Un giroscopio de velocidad de guiñada se puede utilizar en los coches para activar el control electrónico de estabilidad (ESC) sistema de freno para evitar que ocurran accidentes cuando el coche está haciendo un giro brusco. Y un giroscopio rollo se puede utilizar para activar las bolsas de aire cuando una condición de vuelco sucede. Un giroscopio de velocidad de guiñada se puede utilizar en los automóviles para medir la orientación para mantener el coche en movimiento en un mapa digital GPS cuando se pierde la señal. Esto se llama auto-ajuste de cuentas muertos sistema de respaldo. El giroscopio de velocidad de guiñada también se puede utilizar para el control de robot cubierta. Varias unidades de medición inercial (IMU) puede ser montado en los brazos y las piernas para el seguimiento del cuerpo y seguimiento.

El IMU también puede ser utilizado para la aplicación del ratón aire, plataformas de movimiento de juego y dispositivos de navegación personal con la integración de magnetómetro y el receptor GPS. La comprensión de los principales parámetros de giroscopios MEMS Fuente de alimentación (voltios): este parámetro define el funcionamiento giroscopio DC Fuente de alimentación Rango de voltaje. Fuente de alimentación de corriente (mA): Este parámetro define el consumo de corriente típica en el modo de operación. Fuente de alimentación de corriente en modo de suspensión (mA): este parámetro define el consumo de corriente cuando el giróscopo está en modo de suspensión. Fuente de alimentación de corriente en modo power-down (UA): Este parámetro define el consumo de corriente cuando el giroscopio se apaga.

Rango de escala completa (dps): Este parámetro define el rango de medición giroscopio. Tipo cero nivel (Voltios o LSB): Este parámetro define el nivel de tasa de cero cuando no hay velocidad angular aplicada al giroscopio. Sensibilidad (mV / dps dps / o LSB): Sensibilidad en mV / dps define la relación entre el cambio 1dps y el giroscopio analógica de tensión de salida con respecto al nivel de tasa cero. Para giroscopios digitales, la sensibilidad (dps / LSB) es la relación entre 1LSB y DPS. Cambiar la sensibilidad frente a la temperatura (% / ° C): Este parámetro define cuando los cambios de temperatura de 25 ° C temperatura ambiente, la forma de la sensibilidad cambiará en porcentaje por cada ° C. Tipo cero nivel de cambio frente a la temperatura (dps / ° C): Este parámetro define, cuando los cambios de temperatura de 25 ° C, cómo el nivel de tasa cero cambiará por ° C. No linealidad (% FS): este parámetro define el error máximo entre las salidas del giroscopio y la mejor línea de ajuste directamente en porcentaje con respecto al fondo de escala (FS) Gama. Ancho de banda (Hz): este parámetro define la frecuencia de la señal de la velocidad angular de la CC a la anchura de banda incorporada (BW) de que los giroscopios analógicos pueden medir. Tasa densidad de ruido (dps / √ Hz): este parámetro define la resolución estándar para giroscopios analógicos y digitales que se pueden obtener a partir de las salidas de los giroscopios junto con el parámetro BW. Auto-test (mV o dps): Esta característica se puede utilizar para verificar si el giroscopio está funcionando correctamente o no, sin girar físicamente la placa de circuito impreso (PCB) después del giroscopio está montado en la PCB. Calibración de un giroscopio MEMS Los giroscopios son generalmente fábrica probado y calibrado en términos de nivel de tasa cero y la sensibilidad. Sin embargo, después de que el giroscopio está montado en la PCB, debido al estrés, el nivel de tasa cero y la sensibilidad puede cambiar ligeramente de los valores de fábrica recortados. Para aplicaciones tales como juegos y mandos a distancia, uno puede simplemente utilizar las típicas tasa cero los valores de nivel y sensibilidad en la hoja de datos para convertir la medición giroscopio para velocidades angulares.

Para aplicaciones más exigentes del giroscopio necesita ser calibrado para el nuevo nivel de tasa cero y los valores de sensibilidad y otros parámetros importantes, tales como:      

La desalineación (o eje transversal de sensibilidad) Sensibilidad aceleración lineal o g sensibilidadA largo plazo en plazo sesgo estabilidad Encendido a su vez-en la estabilidad de sesgo Sesgo y deriva de sensibilidad respecto a la temperatura Deshacerse de tasa cero inestabilidad

La salida de giroscopio se puede expresar como la Ecuación 1. R t = SC x (R m - R 0 ) (1) Donde, R t (dps): true angular tasa R m (LSB): Medición giroscopio R 0 (LSB): tasa cero nivel SC (dps / LSB): sensibilidad Con el fin de compensar el encendido para el encendido inestabilidad sesgo, después de que el giroscopio está encendido, se pueden recoger 50 a 100 muestras y luego promedio muestras de estos como el encendido de tasa cero nivel de R 0 , suponiendo que el giroscopio es estacionario. Debido al cambio de temperatura y el ruido de medición, las lecturas del giroscopio puede variar ligeramente cuando el giroscopio es estacionaria. Es necesario fijar un umbral Rth a cero las lecturas del giroscopio si el valor absoluto está dentro del umbral como se muestra en la Ecuación 2. Esto deshacerse del ruido de tasa cero de modo que el desplazamiento angular no se acumulará cuando el giroscopio es estacionaria. ΔR = (R m - R 0 ) = 0 si | (R m - R 0 ) |