三轴MEMS陀螺仪工作原理

鸣涧

三轴MEMS陀螺仪工作原理

一般陀螺仪工作原理

陀螺仪一种用于测量角度以及维持方向的设备，原理是基于角动量守恒原理。我们来看看陀螺仪的动态原理图，中间金色的那个转子则是我们的“陀螺”，它因为惯性作用是不会受到影响的，而周边三个“钢圈”则会因为设备改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态。 而这三个“钢圈”所在的轴，也就是我们三轴陀螺仪里面的“三轴”即X轴、Y轴、Z轴。三个轴围成的立体空间联合检测手机的各种动作，陀螺仪最主要的作用在 于它可以测量角速度。

陀螺仪和我们最常见的重力感应有什么区别呢？重力感应是通过感应重力正交两个方向的分力大小，来判断水平方向，而陀螺仪则是一个立体的方向。也因为特性上有所不同，陀螺仪的应用看起来会比重力感应的更炫，更拉风。陀螺仪对一般用户来说最容易接触到的用途估计就是可以用在各种大型游戏上了，用陀螺仪操 作起射击游戏来，可要比用触屏更加得心应手很多。当然，除了游戏，陀螺仪还可以配合其他设备配合GPS定位，像Google的街景就有利用到陀螺仪配合定位。

MEMS陀螺仪工作原理

要想将陀螺仪技术应用于手机、MID、手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中，将传统陀螺仪小型化是必然，为此，MEMS陀螺仪正全面走进数码设备、游戏设备。MEMS是什么呢？MEMS（Micro Electro Mechanical systems，微电子机械系统）是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术，其是一种可对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一整体单元的微型系统。

MEMS产品已被广泛地应用于。。。数码相机（防抖防震器件，使用MEMS陀螺仪产品即便在持续震动的环境中，也能准确地进行归零的动作）、笔记本电脑或MID、手机（如加速度计）、MP3/MP4、游戏机等消费电子产品中。陀螺仪利用这种技术，可在硅片上形成微米尺度的精密谐振结构，用来感应角速度的大小和方向。

与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。什么是科里奥利力呢？科里奥利力（Coriolis force）也就时常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性，由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。

MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺仪利用科里奥利力（旋转物体在径向运动时所受到的切向力），旋转中的陀螺仪可对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。为了产生这种力，MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动电容板，“径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。”这样，MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动，并可在横向作与驱动力差90°的微小震荡。这种科里奥利力好比角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。

以意法半导体的MEMS陀螺仪为例，其核心元件是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制运转（音叉机制的工作原理是通过安装在音叉基座上的一对压电晶体使音叉在一定共振频率下振动，当音叉开关的音叉与被测介质相接触时，音叉的频率和振幅将改变，音叉开关的这些变化由智能电路来进行检测，处理并将之转换为一个开关信号）。电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振，利用科里奥利力把角速率转换成一个特定感应结构的位移，两个正在运动的质点向相反方向做连续运动。只要从外部施加一个角速率，就会出现一个力，力的方向垂直于质点的运动方向。产生的力使感应质点发生位移，位移大小与所施加的加速度速率大小成正比，位于旁边的传感器就能感应出在定子和转子之间引起的电容变化，从而实现操控功能。并且，由于在控制电路内部嵌入了先进的电源关断功能，可以在不需要传感器功能的时候关闭整个传感器，或让其进入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺仪的总功耗。从而像手机等便携式设备就会由此获得更长的续航时间。

三轴MEMS陀螺仪工作原理

三轴MEMS陀螺仪结合三轴MEMS加速度计实现的所谓六轴产品。三轴陀螺仪可以同时测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度。

从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计（加速计）形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。

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