MEMS 陀螺仪的核心工作原理-科里奥利力效应

扫地僧

MEMS 陀螺仪的核心工作原理是科里奥利力效应，通过检测振动质量块在旋转时产生的科里奥利力，将角速度信号转换为可测量的电信号，从而实现对物体旋转运动的感知。
具体工作过程可拆解为以下 3 个核心步骤：

• 驱动质量块做高频振动MEMS 陀螺仪内部集成了一个或多个微型质量块（由硅材料制成），通过驱动电路施加交变电压，让质量块沿驱动轴做稳定的高频往复振动（如左右或上下振动）。这一步是为后续检测旋转角速度提供基础运动源。
  
• 旋转产生科里奥利力，引发质量块垂直方向位移当陀螺仪随载体（如手机、无人机）绕检测轴旋转时，做高频振动的质量块会受到一个垂直于驱动方向和旋转方向的力，即科里奥利力。科里奥利力的大小与载体的旋转角速度成正比，公式为：\(F_c = 2m\,\vec{v} \times \vec{\omega}\)其中 m 是质量块的质量，\(\vec{v}\) 是质量块的振动速度，\(\vec{\omega}\) 是载体的旋转角速度。这个力会带动质量块沿检测轴产生微小的机械位移。
  
• 位移转换为电信号输出MEMS 陀螺仪通过内置的敏感结构（主流为电容式，部分为压电式、压阻式），将质量块的微小位移转换为电信号。
  
  
  • 电容式结构：质量块和固定电极组成平行板电容器，位移会改变极板间距，进而改变电容值，通过检测电容变化量即可换算出旋转角速度；
  • 压电式结构：质量块位移挤压压电材料，使其产生与位移成正比的电荷信号，直接反映角速度大小。
    
    
  
  

补充关键特点

• 与传统机械陀螺仪相比，MEMS 陀螺仪的质量块振动和位移都在微米级，具有体积小、功耗低、成本低、抗冲击能力强的优势；
• 为提升检测精度，主流 MEMS 陀螺仪会采用对称双质量块结构，通过反向振动抵消外界振动干扰，降低噪声。