MEMS陀螺仪的应用原理是什么？详细介绍

微机电系统(MEMS)陀螺仪是一种在微米级别的尺度上集成电机和电子设备的装置，能够测量或保持方向。这是通过对旋转运动的角速度进行检测和测量实现的。MEMS陀螺仪的工作原理基于科里奥利(Coriolis)效应。这是一个物理现象，在旋转参考系中，运动物体受到一种横向的力，称为科里奥利力。在MEMS陀螺仪中，微型结构会沿着一个轴(驱动轴)振动。当设备旋转时，科里奥利力将导致垂直于原始振动轴的一个轴(感应轴)上的微小位移。这个位移可以通过电容或压阻效应检测到，并转化为电信号，最终用于计算角速度。

假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用这一原理就可制作出MEMS陀螺仪。

如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在 MEMS 陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90 度。MEMS 陀螺仪通常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。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。

MEMS 传感器的传感电容变化量极其微小，比如典型的表面微加工的加速度计，传感电容原始值仅为50 fF~1 pF，传感电容极板间初始距离为1μm 左右，相应所产生的传感电容变化量只有0.38×10-18 F。如此小的电容变化量经常会淹没在各种噪声中，测试电路测试精度还会受到各种寄生电容的影响，所以说设计高精度的微弱电容读出电路是个巨大的挑战。

陀螺仪的内部原理是这样的：对固定指施加电压，并交替改变电压，让一个质量块做振荡式来回运动，当旋转时，会产生科里奥利加速度，此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计，解码方法大致相同，都会用到放大器。

角速率由科氏加速度测量结果决定 - 科氏加速度 = 2 × (w × 质量块速度) - w是施加的角速率(w = 2 πf)

通过14 kHz共振结构施加的速度(周期性运动)快速耦合到加速度计框架 - 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位，因此可以抵消低速外部振动

该机械系统的结构与加速度计相似(微加工多晶硅)

信号调理(电压转换偏移)采用与加速度计类似的技术

施加变化的电压来回移动器件，此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转，可以看到器件会上下移动，外部指将感知该运动，从而就能拾取到与旋转相关的信号。

陀螺仪可以三个一起设计，分别对应于所谓滚动、俯仰和偏航。任何了解航空器的人都知道，俯仰是指航空器的上下方向，偏航是指左右方向，滚动是指向左或向右翻滚。要正确控制任何类型的航空器或导弹，都需要知道这三个参数，这就会用到陀螺仪。它们还常常用于汽车导航，当汽车进入隧道而失去GPS信号时，这些器件会记录您的行踪。

无人机在飞行作业时，获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。从而在处理中可以更加方便的处理影像。而POS数据主要包括GPS数据和IMU数据，即倾斜摄影测量中的外方位元素：(纬度、经度、高程、航向角(Phi)、俯仰角(Omega)及翻滚角(Kappa))。

GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。

飞控是由主控MCU和惯性测量模块(IMU，Inertial Measurement Unit)组成。IMU提供飞行器在空间姿态的传感器原始数据，一般由陀螺仪传感器/加速度传感器/电子罗盘提供飞行器9DOF数据。