一般陀螺儀工作原理

　　陀螺儀一種用于測量角度以及維持方向的設(shè)備，原理是基于角動量守恒原理。我們來看看陀螺儀的動態(tài)原理圖，中間金色的那個(gè)轉(zhuǎn)子則是我們的“陀螺”，它因?yàn)閼T性作用是不會受到影響的，而周邊三個(gè)“鋼圈”則會因?yàn)樵O(shè)備改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。 而這三個(gè)“鋼圈”所在的軸，也就是我們?nèi)S陀螺儀里面的“三軸”即X軸、Y軸、Z軸。三個(gè)軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測手機(jī)的各種動作，陀螺儀最主要的作用在 于它可以測量角速度。

　　陀螺儀和我們最常見的重力感應(yīng)有什么區(qū)別呢？重力感應(yīng)是通過感應(yīng)重力正交兩個(gè)方向的分力大小，來判斷水平方向，而陀螺儀則是一個(gè)立體的方向。也因?yàn)樘匦陨嫌兴煌?，陀螺儀的應(yīng)用看起來會比重力感應(yīng)的更炫，更拉風(fēng)。陀螺儀對一般用戶來說最容易接觸到的用途估計(jì)就是可以用在各種大型游戲上了，用陀螺儀操 作起射擊游戲來，可要比用觸屏更加得心應(yīng)手很多。當(dāng)然，除了游戲，陀螺儀還可以配合其他設(shè)備配合GPS定位，像Google的街景就有利用到陀螺儀配合定位。

　　MEMS陀螺儀工作原理

　　要想將陀螺儀技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)、MID、手柄、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)這樣的小型設(shè)備中，將傳統(tǒng)陀螺儀小型化是必然，為此，MEMS陀螺儀正全面走進(jìn)數(shù)碼設(shè)備、游戲設(shè)備。MEMS是什么呢？MEMS（Micro Electro Mechanical systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，其是一種可對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一整體單元的微型系統(tǒng)。

　　MEMS產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于。。。數(shù)碼相機(jī)（防抖防震器件，使用MEMS陀螺儀產(chǎn)品即便在持續(xù)震動的環(huán)境中，也能準(zhǔn)確地進(jìn)行歸零的動作）、筆記本電腦或MID、手機(jī)（如加速度計(jì)）、MP3/MP4、游戲機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中。陀螺儀利用這種技術(shù)，可在硅片上形成微米尺度的精密諧振結(jié)構(gòu)，用來感應(yīng)角速度的大小和方向。

　　與傳統(tǒng)的利用角動量守恒原理的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀使用了不同的工作原理。傳統(tǒng)的陀螺儀是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動的物體，其轉(zhuǎn)軸的指向不隨承載它的支架旋轉(zhuǎn)而變化。要把這樣一個(gè)不停轉(zhuǎn)動的沒有支撐的能旋轉(zhuǎn)的物體用微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出來，顯然難上加難。為此，MEMS陀螺儀在基于傳統(tǒng)陀螺儀特性的基礎(chǔ)上利用科里奧利力來實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。什么是科里奧利力呢？科里奧利力（Coriolis force）也就時(shí)常說的哥里奧利力、科氏力，它是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動的偏移的一種描述，其來自于物體運(yùn)動所具有的慣性，由于地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動而作用于地球上運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)的偏向力就是這樣的代表，地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

　　MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見應(yīng)用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動時(shí)所受到的切向力），旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對各種形式的直線運(yùn)動產(chǎn)生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運(yùn)動的測量與控制。為了產(chǎn)生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個(gè)方向的可移動電容板，“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運(yùn)動帶來的電容變化。”這樣，MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動下就會不停地來回做徑向運(yùn)動或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來回變化的運(yùn)動，并可在橫向作與驅(qū)動力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計(jì)算出MEMS陀螺儀的角速度。

　　以意法半導(dǎo)體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)（音叉機(jī)制的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動，當(dāng)音叉開關(guān)的音叉與被測介質(zhì)相接觸時(shí)，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關(guān)的這些變化由智能電路來進(jìn)行檢測，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)開關(guān)信號）。電機(jī)驅(qū)動部分通過靜電驅(qū)動方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振，利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，兩個(gè)正在運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會出現(xiàn)一個(gè)力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化，從而實(shí)現(xiàn)操控功能。并且，由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機(jī)等便攜式設(shè)備就會由此獲得更長的續(xù)航時(shí)間。

　　三軸MEMS陀螺儀工作原理

　　三軸MEMS陀螺儀結(jié)合三軸MEMS加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的所謂六軸產(chǎn)品。三軸陀螺儀可以同時(shí)測定6個(gè)方向的位置、移動軌跡和加速度。

　　從MEMS陀螺儀的應(yīng)用方向來看，陀螺儀能夠測量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動的角速度，可與MEMS加速度計(jì)（加速計(jì)）形成優(yōu)勢互補(bǔ)，如果組合使用加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，設(shè)計(jì)者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

　　此外，為讓設(shè)計(jì)和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機(jī)械噪聲，或?yàn)樾Ｕ铀俣扔?jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商會使用磁力計(jì)來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能，以完成相應(yīng)定位，讓陀螺儀術(shù)業(yè)有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計(jì)或磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合的方案正成為MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢。