微機械陀螺儀的工作原理（科里奧利力）

MEMS陀螺儀利用科里奧利力（Coriolis force，又稱(chēng)為科氏力）現象�？剖狭κ菍π�轉體系中進(jìn)行直線(xiàn)運動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對于旋轉體系產(chǎn)生的直線(xiàn)運動(dòng)的偏移的一種描述。     科里奧利力來(lái)自于物體運動(dòng)所具有的慣性，在旋轉體系中進(jìn)行直線(xiàn)運動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性的作用，有沿著(zhù)原有運動(dòng)方向繼續運動(dòng)的趨勢，但是由于體系本身是旋轉的，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運動(dòng)之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會(huì )有所變化，而它原有的運動(dòng)趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀(guān)察，就會(huì )發(fā)生一定程度的偏離。

如圖1所示，當一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對于慣性系做直線(xiàn)運動(dòng)時(shí)相對于旋轉體系，其軌跡是一條曲線(xiàn)。立足于旋轉體系，我們認為有一個(gè)力驅使質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)軌跡形成曲線(xiàn)，這個(gè)力就是科里奧利力。     以下為科里奧利力的物理導出方法。     圖2所示為建立的空間動(dòng)態(tài)坐標系。

由以上方程計算得到加速度主要有三項組成，分別為徑向加速度、科里奧利加速度和向心加速度。

其中， 為圓盤(pán)轉動(dòng)的角速度矢量； 為質(zhì)點(diǎn)的徑向速度值； 為質(zhì)點(diǎn)的徑向運動(dòng)方向矢量。 如果物體在圓盤(pán)上沒(méi)有徑向運動(dòng)或是圓盤(pán)沒(méi)有旋轉，科里奧利力就不會(huì )產(chǎn)生。

微機械陀螺儀的結構

MEMS陀螺儀的設計和工作原理可能各種各樣，但是主要都采用振動(dòng)部件傳感角速度的概念。絕大多數的MEMS陀螺儀依賴(lài)于相互正交的振動(dòng)和轉動(dòng)引起的交變科里奧利力。圖3所示為振動(dòng)陀螺的動(dòng)力學(xué)系統的簡(jiǎn)單結構示意圖。

該系統為2-D的振動(dòng)系統，有兩個(gè)正交的振動(dòng)模態(tài)。其中一個(gè)振動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊在x方向振動(dòng)，振動(dòng)頻率為 。另一個(gè)振動(dòng)模態(tài)為質(zhì)量塊在y方向振動(dòng)，振動(dòng)頻率為 。 與 的值比較接近。     工作時(shí)，驅動(dòng)質(zhì)量塊使之在x軸上以接近于 的頻率 （驅動(dòng)頻率）振動(dòng)，如果振動(dòng)系統以角速度 繞Z軸轉動(dòng)，則會(huì )產(chǎn)生一個(gè)沿Y軸方向的科里奧利力，從而使得質(zhì)量塊在Y軸方向上產(chǎn)生頻率為的 振動(dòng)響應，通過(guò)測試Y軸方向的運動(dòng)就能完成角速度 的檢測。

一般的MEMS陀螺儀由梳齒結構的驅動(dòng)部分（圖4）和電容板形狀的傳感部分（圖5）組成，基本結構如圖6所示。對于各種應用要求有各種不同的具體結構設計。

微機械陀螺儀的性能參數

MEMS陀螺儀的重要參數包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出（零位輸出）、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍。這些參數是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標志，同時(shí)也決定陀螺儀的應用環(huán)境。

    分辨率是指陀螺儀能檢測的最小角速度，該參數與零角速度輸出其實(shí)是由陀螺儀的白噪聲決定。這三個(gè)參數主要說(shuō)明了該陀螺儀的內部性能和抗干擾能力。對使用者而言，靈敏度更具有實(shí)際的選擇意義。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的最大角速度。不同的應用場(chǎng)合對陀螺儀的各種性能指標有不同的要求。