MEMS陀螺仪精讲
MEMS陀螺仪概况介绍
1、微机械陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪利用科里奥利力(Coriolis force，又称为科氏力)现象。
科氏力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。
科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。
2、微机械陀螺仪的性能参数MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率(Resolution)、零角速度输出(零位输出)、灵敏度(Sensitivity)和测量范围。
这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。
分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。
这三个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。
对使用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。
测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。
不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。
3、微机械陀螺仪的结构MEMS陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是主要都采用振动部件传感角速度的概念。
绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。
图3所示为振动陀螺的动力学系统的简单结构示意图。
该系统为2-D的振动系统，有两个正交的振动模态。
其中一个振动模态为质量块在x 方向振动，振动频率为。
另一个振动模态为质量块在y方向振动，振动频率为。
与的值比较接近。
工作时，驱动质量块使之在x轴上以接近于的频率(驱动频率)振动，如果振动系统以角速度绕Z轴转动，则会产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，从而使得质量块在Y轴方向上产生频率为的振动响应，通过测试Y轴方向的运动就能完成角速度的检测。
一般的MEMS陀螺仪由梳齿结构的驱动部分(图4)和电容板形状的传感部分(图5)组成，基本结构如图6所示。
MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用）
MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用）MEMS传感器市场浪潮可以从最早的汽车电子到近些年来的消费电子，和即将来到的物联网时代。
如今单一的传感器已不能满足人们对功能、智能的需要，像包括MEMS惯性传感器、MEMS环境传感器、MEMS光学传感器、甚至生物传感器等多种传感器数据融合将成为新时代传感器应用的趋势。
工欲善其事，必先利其器，这里就先以MEMS陀螺仪开始，简要介绍一下MEMS陀螺仪、主要性能参数和使用。
传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理，即：对旋转的物体，它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。
MEMS陀螺仪主要利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）原理，公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测科里奥利力。
MEMS陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制共振运动，通过科里奥利力原理把角速率转换成一个特定感测结构的位移。
以一个单轴偏移（偏航，YAW）陀螺仪为例，通过图利探讨最简单的工作原理。
两个相同的质量块以方向相反的做水平震荡，如水平方向箭头所示。
当外部施加一个角速率，就会出现一个科氏力，力的方向垂直于质量运动方向，如垂直方向箭头所示。
产生的科氏力使感测质量发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。
因为感测器感测部分的动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电子参数---电容量。
下图是一种MEMS陀螺仪的系统架构，，陀螺仪的讯号调节电路可以分为马达驱动和加速度计感测电路两个部分。
其中，马达驱动部分是透过静电引动方法，使驱动电路前后振动，为机械元件提供激励；而感测部分透过测量电容变化来测量科氏力在感测质量上产生的位移。
当然，MEMS陀螺仪还具有其它功能模块，比如自检功能电路，低功耗以及运动唤醒电路等等。
下面主要介绍MEMS陀螺仪的主要性能参数。
mems陀螺仪原理
mems陀螺仪原理
mems陀螺仪是一种基于微电子机械系统（MEMS）技术的陀
螺仪，其原理是利用惯性力和Coriolis效应来测量物体的旋转
角度。
mems陀螺仪通常由一个微小的敏感元件和一个驱动元件组成。
敏感元件用于感知物体的旋转运动，而驱动元件则用于提供驱动力。
这两者共同工作，使得mems陀螺仪能够准确测量物体
的旋转角度。
敏感元件通常由微小的振动体构成，它们被放置在一个微小的腔体内。
当物体发生旋转时，惯性力作用在振动体上，导致其发生位移。
这个位移随着旋转角速度的增加而增加，从而可以用来测量旋转角度的大小。
同时，驱动元件可以通过施加振动力来保持敏感元件的振动。
这种振动力可以通过微小的电极施加，从而实现对振动体的控制。
通过控制驱动元件的振动频率和振动幅度，可以确保敏感元件在操作范围内保持稳定的振动状态。
在mems陀螺仪中，Coriolis效应起到了关键的作用。
当敏感
元件振动时，由于物体的旋转，振动体会感受到一个由Coriolis力引起的横向力，这个力与振动方向垂直。
通过测量
这个横向力的大小，可以确定物体的旋转角速度。
综上所述，mems陀螺仪通过利用惯性力和Coriolis效应，结
合微电子机械系统技术，实现对物体旋转角度的准确测量。
它
在航空航天、汽车导航、智能手持设备等应用领域有着广泛的应用。
MEMS陀螺仪概况介绍
MEMS陀螺仪概况介绍MEMS陀螺仪是一种运用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术制造的陀螺仪。
MEMS陀螺仪的发展与传统机械陀螺仪相比，具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、成本低等优势，因此在无线通信、导航定位、智能手机、游戏机、航空航天等领域得到了广泛的应用。
从原理上来说，MEMS陀螺仪是利用陀螺效应进行测量的。
根据陀螺效应，当陀螺体受到力矩作用时，会产生旋转运动，并随着陀螺体的旋转方向发生改变。
MEMS陀螺仪利用微加工技术制造出微小的陀螺体结构，通过测量陀螺体旋转的角速度来反映外界的力矩。
MEMS陀螺仪的核心部件是微机电系统传感器芯片。
该芯片由陀螺体、补偿机构和信号处理器组成。
陀螺体采用微机电技术制造，通常由微小的旋转结构和驱动电极组成。
补偿机构可以校正陀螺仪在使用过程中的误差，如温度漂移、震动干扰等。
信号处理器对传感器采集到的信号进行放大、滤波和数字化处理，最终输出测量结果。
MEMS陀螺仪主要应用于姿态控制、导航定位和惯性测量等领域。
在无人机、无线通信基站和汽车电子中，MEMS陀螺仪可以感知设备的姿态变化，并通过控制其他执行器实现稳定的定位和姿态控制。
在导航定位系统中，MEMS陀螺仪结合其他传感器如加速度计和磁力计，可以提供高精度的导航定位信息。
在惯性测量领域，MEMS陀螺仪可以用于测量物体的转动角速度，如飞行器的姿态角速度、旋转仪的角速度等。
然而，MEMS陀螺仪也存在一些挑战与局限性。
首先，由于微加工技术的限制，MEMS陀螺仪的测量范围和分辨率相对较小。
其次，由于设备内部结构的微小化，MEMS陀螺仪对温度变化和震动的敏感度较高，容易产生误差。
此外，MEMS陀螺仪在长时间运行过程中，由于不可避免的温度漂移和机械疲劳等因素，测量精度也会逐渐下降。
为了克服这些局限性，研究人员提出了一系列改进措施。
例如，通过增加补偿机构和算法优化，可以有效降低温度漂移和震动干扰对MEMS陀螺仪测量精度的影响。
mems 陀螺仪的静电驱动原理
《MEMS陀螺仪的静电驱动原理》1. 引言MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术的发展，使得微型化的陀螺仪得以实现，成为现代导航系统中不可或缺的一部分。
而MEMS陀螺仪的静电驱动原理，则是其实现高精度测量的关键之一。
2. MEMS陀螺仪的基本原理与结构在深入探讨MEMS陀螺仪的静电驱动原理之前，我们首先来了解其基本原理与结构。
MEMS陀螺仪基本由感应器和驱动器两部分组成。
感应器用于检测角速度，而驱动器则用于施加力以抵消外部旋转引起的惯性力，从而实现测量。
3. MEMS陀螺仪的静电驱动原理在MEMS陀螺仪中，静电驱动原理是常见的驱动方式之一。
其基本原理是利用静电力来驱动微型结构进行振动。
静电力是由电荷间的静电相互作用所产生的力，在MEMS中通过改变电荷分布以施加力，并通过这种方式来驱动微型结构。
4. MEMS陀螺仪的静电驱动原理实现具体而言，MEMS陀螺仪的静电驱动原理是通过改变电场来产生静电力，从而驱动微型结构振动。
通常采用的方法是通过应用电压来改变微型结构上的电荷分布，从而产生静电力，使微型结构产生振动。
这种静电驱动原理可以实现对微型结构的精确控制，从而确保陀螺仪的测量精度和稳定性。
5. MEMS陀螺仪的静电驱动原理在导航系统中的应用MEMS陀螺仪的静电驱动原理在导航系统中有着广泛的应用。
其高精度的测量能力和稳定性，使其成为航空航天、无人车辆和智能手机等领域中的重要组成部分。
静电驱动原理的应用使得MEMS陀螺仪能够实现微小结构的高精度控制，从而为导航系统提供了可靠的测量数据。
6. 总结与展望通过对MEMS陀螺仪的静电驱动原理的深入探讨，我们可以更加深入地理解其在导航系统中的重要作用。
静电驱动原理的应用使得MEMS陀螺仪能够实现高精度的角速度测量，为现代导航系统的发展提供了强大的支持。
未来随着MEMS技术的不断发展，相信MEMS陀螺仪的静电驱动原理也将迎来更多的创新与应用。
MEMS陀螺仪简介分析
按检测方式
闭环模式
速率陀螺 按工作模式
速率积数
MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution） 、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（Sensitivity）和测 量范围。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标 志，同时也决定陀螺仪的应用环境。 分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与 零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。这几个参 数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。对使 用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。测量范围是 指陀螺仪能够测量的最大角速度。不同的应用场合对陀 螺仪的各种性能指标有不同的要求。
MEMS 陀螺仪使用的输出噪声这个指标。并且一定要选定合适的带 宽，在能满足使用要求的前提下，尽量选择带宽较低的陀螺仪，因为带 宽越大，输出噪声越大。
2.5 MEMS陀螺仪的选用
⑵ 测量范围 选择陀螺仪的量程时，应注意：最大输入角速率——陀 螺仪正、反方向输入角速率的最大值，在此输入角速率范围内，陀螺仪 标度因数非线性满足规定要求。 ⑶ 阈值——陀螺仪能敏感的最小输入角速率。由该输入角速率产生的输 出至少应等于按标度因数所期望输出值的50％。 ⑷ 分辨率——陀螺仪在规定的输入角速率下，能敏感的最小输入角速 率增量，至少应等于按标度因数所期望输出增量的50％。选择陀螺仪的 测量范围时，最大的角速率是陀螺仪的量程的2/3，最小的角速率应该 高于阈值、分辨率。 ⑸ 标度因数——陀螺仪输出量与输入角速率的比值。 它是用某一特定 直线的斜率表示的，该直线是根据整个输入角速率范围内测得的输入、 输出数据，用最小二乘法拟合求得。 ⑹ 标度因数非线性度——在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最 小二乘法拟合直线的最大的偏差与最大输出量之比。
MEMS惯性测量单元(IMU)-陀螺仪对准基础
MEMS惯性测量单元（IMU）/陀螺仪对准基础对于在反馈环路中采用MEMS惯性测量单元（IMU）的高性能运动控制系统，传感器对准误差常常是其关键考虑之一。
对于IMU中的陀螺仪，传感器对准误差描述各陀螺仪的旋转轴与系统定义的惯性参考系（也称为全局坐标系）之间的角度差。
为了管控对准误差对传感器精度的影响，可能需要独特的封装、特殊的组装工艺，甚至在最终配置中进行复杂的惯性测试。
所有这些事情都可能会对项目管理的重要指标：如计划、投资和各系统中IMU相关的总成本等，产生重大影响。
因此，在设计周期的早期，当还有时间界定系统架构以实现最有效解决方案的时候，对传感器对准误差加以考虑是十分有必要的。
毕竟，没有人希望在烧掉项目80%的计划时间和预算之后才发现，为了满足最终用户不容商量的交货要求，其并不昂贵的传感器需要增加数百甚至数千美元的意外成本，那样可就糟糕至极了！设计系统的IMU功能架构时，有三个基本对准概念需要了解和评估：误差估计、对准误差对系统关键行为的影响以及电子对准（安装后）。
初始误差估计应当包括IMU以及在运行过程中将其固定就位的机械系统这两方面的误差贡献。
了解这些误差对系统关键功能的影响有助于确立相关性能目标，防止过度处理问题，同时管控无法兑现关键性能和成本承诺的风险。
最后，为了优化系统的性能或以成本换空间，可能需要某种形式的电子对准。
预测安装后的对准误差一个应用的对准精度取决于两个关键因素：IMU的对准误差和在运行过程中将其固定就位的机械系统的精度。
IMU的贡献（IMU）和系统的贡献（SYS）通常并不相关，估计总对准误差时，常常是利用和方根计算将这两个误差源加以合并：某些IMU规格表通过轴到封装对准误差或轴到坐标系对准误差等参数来量化对准误差。
图1以夸张方式显示了ADIS16485中各陀螺仪相对于其封装边缘的对准误差。
图中的绿色虚线代表封装定义的参考系的各轴。
实线代表封装内部陀螺仪的旋转轴，IMU代表三个对准误差项的最大值（X、Y、Z）。
MEMS陀螺仪的简要介绍
MEMS陀螺仪的简要介绍MEMS陀螺仪（Micro-Electro-Mechanical System gyroscope）是一种基于微机电系统技术的陀螺仪，具有小尺寸、低功耗、高灵敏度等特点。
它广泛应用于无人机、手机、平衡车等设备中，用于测量角速度和方向。
首先，我们来看一下MEMS陀螺仪的性能参数。
主要包括灵敏度、测量范围、精确度和稳定性。
1.灵敏度：指陀螺仪对角速度变化的感知程度，通常以每秒多少度/秒来表示。
灵敏度越高，陀螺仪对角速度变化的检测越精准。
2.测量范围：指陀螺仪能够测量的角速度的最大值和最小值。
通常以度/秒为单位，在不同应用场景下需根据需求选择合适的测量范围。
3.精确度：指陀螺仪测量结果与真实值之间的偏差。
精确度越高，陀螺仪的测量结果越接近真实值。
4.稳定性：指陀螺仪在长时间使用过程中保持测量精度的能力。
稳定性包括零漂、温漂等参数，可通过校准等方法来提高。
1.姿态控制：MEMS陀螺仪被广泛应用于飞行器、导航设备等需要进行姿态控制的设备中。
通过测量角速度变化，可以帮助设备实时检测自身的姿态，从而进行调整和控制。
2.稳定平台：MEMS陀螺仪可以用于制作稳定平台，如相机防抖系统。
通过补偿相机的晃动，可以提高拍摄的稳定性和图像质量。
3.导航定位：MEMS陀螺仪可以与其他传感器（如加速度计、磁力计）结合使用，用于导航和定位应用。
通过测量角速度和加速度，可以估计设备的位置和方向。
4.虚拟现实和增强现实：MEMS陀螺仪可以用于虚拟现实和增强现实设备中，如头戴式显示器和手持设备。
通过检测用户头部的旋转动作，可以实现对虚拟场景的观察和交互。
5.运动追踪：MEMS陀螺仪可以用于运动追踪设备中，如运动手柄和运动传感器。
通过测量角速度和加速度，可以捕捉用户的运动，实现与设备的交互。
综上所述，MEMS陀螺仪是一种小尺寸、低功耗、高灵敏度的陀螺仪，广泛应用于姿态控制、稳定平台、导航定位、虚拟现实和运动追踪等领域。
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MEMS陀螺仪的分类
1.振动式微机械陀螺仪 振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质 量，在被基带动旋转时的哥氏效应感测角速度。
2.转子式微机械陀螺仪 转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成，采用静电悬 浮，并通过力短再平衡回路测出角速度。从功能看，转 子式微机械陀螺仪属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传 感器。 3.微机械加速度计陀螺仪 微机械加速度计陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速 度计做反向高频抖动 而构成的多功能惯性传感器，兼 有测量加速度和角速度的双重功能。
2、日前,意法半导体(ST)新推出13款单轴和双轴陀螺 仪。这种陀螺仪有以下值得关注的地方： ①这种全新高性能角运动传感器 可运用于手势控制的游戏机和遥 控指向产品、数字摄像机或数码 相机的图像稳定功能，以及GPS 导航辅助系统。 ②意法半导体的陀螺仪包括关断模式 (当整个器件完全关断时)和睡眠模式， 部分电路在睡眠模式下被关断,不但 大幅降低功耗，并可快速唤醒,使电 源开关更加智能化。 ③意法半导体的高性能MEMS陀螺仪 拥有抗机械应力，并改进了内部自 检功能，使客户在组装后可以验证 传感器功能，无需在测试过程中移 动电路板。
MEMS陀螺仪的应用发展史
1.MEMS陀螺仪的第一波应用是1990年代的汽车安 全系统
2.MEMS陀螺仪第二波应用是始于2000年的消费电 子产品 3.MEMS陀螺仪的第三波应用将开始出现在医疗、工 业器械等领域
MEMS陀螺仪的军事应用优势
在现今的世界格局中，战争以 信息化战争的对抗为主,重点 是发展精确制导武器，MEMS陀 螺仪在其中发挥了重要作用。
整合MEMS加速计和陀螺仪地磁的模块 正在进入廉价的电子玩具市场，传感 器模块提供的动作感应功能可实现互 动的游戏体验，还能让更小的儿童上 网分享快乐：孩子们很快就能够用自 然的动作玩这些玩具，不再使用按钮 或键盘一类的东西。
关于MEMS陀螺仪的最新国外成果
1、美商亚德诺(AnalADIS 16136 的 iSensor 数位MEMS陀螺仪。该陀螺仪具有以下 特点： ①尺寸仅火柴盒大小，却能提供3.5 o /hr的典型偏压稳定 度，且只消耗低于1瓦特的功率，重量则只有25公克。 ②能够自主运作，而且在产生出精密且精确速率的感测资 料之前不需要使用者进行组态设定，可以快速的实现精密的独 立应用装置，像是平台稳定与控制、导航、机器人、以及医疗 仪器。 ③ADIS 16136以高达2048 SPS(每秒取样)的速率提供资料， 并具有平均/降频滤波器结构，能够将杂讯与频宽之间的权衡达 到最佳化。
MEMS陀螺仪
关于MEMS陀螺仪的探讨
一、陀螺仪发展历程 二、MEMS陀螺仪原理及分类
三、MEMS陀螺仪的应用
四、关于MEMS陀螺仪的最新年研究成果
陀螺仪的发展历程简介
陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程：
1.20世纪50年代的液浮陀螺仪
2.70年代的动力调谐陀螺仪(又称挠性陀螺仪， DTG)。 3.20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、 光纤陀螺仪(FOG)。 4.到90年代的振动陀螺仪。 5.目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺 仪(简称微机械陀螺仪，MEMSG)。
易于数字化和智能化
易于数字化和智能化 • 由于传统陀螺仪成本高、体积大、结构脆弱， 在机械架构或价格考虑上，无法适用于消费性 电子产品的主流市场，但目前MEMS陀螺仪产品 尺寸已缩小到mm级，成功应用于手机、MID、 手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中。事 实上，用硅材料制的MEMS陀螺仪不仅实现了微 型化，而且由于硅的微加工技术与集成工艺技 术的相容性，可以将敏感器件与处理电路完全 集成在一个硅片上，从而实现了陀螺仪真正意 义上的机电一体化。
低成本批量生产
• 将MEMS陀螺仪与其辅助电路整合在同一个封装内， 运用创新的MEMS制程技术，简化传感器与线路之 间的焊接过程，并缩小它们的封装尺寸（多轴陀 螺仪的系统封装面积仅为3×5平方毫米），用一 块硅片可一次性快速生产大量产品，实现低成本 量产。
MEMS陀螺仪的特点
缺点：
• 陀螺仪根据精度划分，有超高精度、中高精度陀 螺仪和低精度陀螺仪。MEMS陀螺仪虽然应用前景 广，但目前仍属于低精度陀螺仪，随机漂移误差 较大。超高精度陀螺仪主要包括静电陀螺、磁浮 陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺仪是静电 陀螺仪。
MEMS陀螺仪能够提供准确的方位， 位置，速度，加速度等信息，并可 应用在战术导弹，智能炮弹，新概 念武器，空间飞行器，自主式潜艇 导航等领域。
MEMS陀螺仪的民用优势
微机械陀螺仪由于具有非 常容易小型化和批量生产， 成本低和体积小等特点。 近年来，在很多应用中受 到密切地关注。 MEMS陀螺仪可 在数码相机中 用于稳定图像
MEMS陀螺仪原理简介
• 我们以一个单轴偏航陀螺仪为例，探讨最简单的 工作原理。
MEMS陀螺仪原理简介
• 两个正在运动的质点向相反方向做连续运动， 如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率， 就会产生一个与质点运动方向垂直的科里奥利 力，如图中黄色箭头所示。产生的科里奥利力 使感应质点发生位移，位移大小与所施加的角 速率大小成正比。因为传感器感应部分的运动 电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边， 上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变 化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被 转化成一个专用电路可以检测的电参数。
科里奥效应
• MEMS陀螺仪利用科里奥效应测量运动物体的角速 率，根据科里奥效应,当一个物体(m)沿方向运动 且施加角旋转速率时，该物体将受到一个科里奥 利力。法国物理学家科里奥利于1835年第一次详 细地研究 了这种现象，因此这种现象称为“科里 奥利效应”。有时把它称为“科里奥利力”，但 它并不真是一种力；它只不过是惯性的结果。
MEMS陀螺仪的特点
优点：
• 陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴动作的角速 度，是补充加速度计功能的理想技术。结合加 速度计和陀螺仪这两种感测器，可以跟踪并捕 捉3D空间的完整动作，提供更真实的用户体验、 精确的导航系统及其他功能。 • 与传统陀螺仪相比，MEMS陀螺仪具有体积小、 重量轻、成本低、功耗低、可靠性好、测量范 围大、易于数字化和智能化等突出的优点。