Sensor--Gyro工做原理

何爲陀螺儀（Gyro）

陀螺儀（英文：gyroscope），是一種用來傳感與維持方向的裝置，基於角動量守恆的理論（角動量守恆定律 是指系統所受合外力矩爲零時系統的角動量保持不變。http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%92%E5%8A%A8%E9%87%8F%E5%AE%88%E6%81%92%E5%AE%9A%E5%BE%8B）設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉，因爲轉子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。

 在必定的初始條件和必定的外力矩在做用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞着另外一個固定的轉軸不停地旋轉，這杯陳偉陀螺的旋進（precession），又稱爲迴轉效應（gyroscope effect）。在平常生活中，小孩玩的陀螺就是一個典型的應用。

MEMS陀螺儀（gyroscope）的工做原理

傳統的陀螺儀主要是利用角動量守恆原理，所以它主要是一個不停轉動的物體，它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。 

 

可是 MEMS陀螺儀（gyroscope）的工做原理不是這樣的，由於要用微機械技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的結構可不是一件容易的事。MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。下面是導出科里奧利力的方法。有力學知識的讀者應該不難理解。 

在空間設立動態座標系（圖一）。用如下方程計算加速度能夠獲得三項，分別來自徑向加速、科里奧利加速度和向心加速度。 

若是物體在圓盤上沒有徑向運動，科里奧利力就不會產生。所以，在 MEMS 陀螺儀的設計上，這個物體被驅動，不停地來回作徑向運動或者震盪，與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化，並有可能使物體在橫向做微小震盪，相位正好與驅動力差 90 度。（圖二）MEMS 陀螺儀一般有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震盪電壓迫使物體做徑向運動（有點象加速度計中的自測試模式），橫向的電容板測量因爲橫向科里奧利運動帶來的電容變化（就象加速度計測量加速度）。由於科里奧利力正比於角速度，因此由電容的變化能夠計算出角速度。 

MEMS陀螺儀(gyroscope)的結構

MEMS 陀螺儀（gyroscope）的設計和工做原理可能各類各樣，可是公開的 MEMS 陀螺儀均採用振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設計的 MEMS 陀螺儀沒有旋轉部件、不須要軸承，已被證實能夠用微機械加工技術大批量生產。 絕大多數 MEMS陀螺儀依賴於由相互正交的振動和轉動引發的交變科里奧利力。振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。總體動力學系統是二維彈性阻尼系統，在這個系統中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。（圖一） 

經過改進設計和靜電調試使得驅動和傳感的共振頻率一致，以實現最大可能的能量轉移，從而得到最大靈敏度。大多數 MEMS 陀螺儀驅動和傳感模式徹底匹配或接近匹配，它對系統的振動參數變化極其敏感，而這些系統參數會改變振動的固有頻率，所以須要一個好的控制架構來作修正。若是須要高的品質因子（Q），驅動和感應的頻寬必須很窄。增長 1%的頻寬可能下降 20%的信號輸出。還有阻尼大小也會影響信號輸出。（圖二） 

通常的 MEMS陀螺儀由梳子結構的驅動部分（圖三）和電容板形狀的傳感部分組成。（圖五）有的設計還帶有去驅動和傳感耦合的結構。（圖六）

資料來源於：

1. http://d1.amobbs.com/bbs_upload782111/files_40/ourdev_648858TAIT2K.pdf