MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀(Gyroscope)又名角速度計，為角慣性感測器，用於感測圍繞某個軸發生的旋轉，測量以度/秒為單位的角速度，不同於傳統的陀螺儀用於測量角位移，角速度測量能夠間接測量出角位移和速度。陀螺儀與加速計不同的是，陀螺儀測量偏航或者斜度，與重力或線性動作無關。陀螺儀是偵測物體水平改變的狀態，但無法計算物體移動的激烈程度，加速度計只能偵測物體的移動行為，但無法偵測物體角度改變的能力，如將陀螺儀和加速計結合起來，就能夠感測轉動與線性運動的感測器。

陀螺儀解決方案是透過一個不斷旋轉的陀螺，當感測器晃動時，同時改變陀螺的水平，並改變周遭的電壓，而計算出物體移動的角度。陀螺儀的MEMS內部設計，核心元件是一個經過微加工之機械元件，利用科裡奧利力(Coriolis)原理把角速率轉換成特定感應結構直向位移，進而取得變化量資訊。其工作原理是由相互正交的振動和轉動引起的交變科裡奧利力，振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整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裡奧利力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。MEMS陀螺儀廣泛用於各種消費性設備，如數位相機的影像防震、筆記型電腦的硬碟保護、3D遙控器和數位羅盤等，還用在汽車的電子穩定控制(ESC)系統中，甚至自動控制系統控制機器人手腳的行動和平衡。

MEMS陀螺儀照片來自

陀螺儀的核心元件是一個微加工機械單元，在設計上按照一個音叉機制運轉，透過科氏力原理(Principle of Coriolis)把角速率轉換成一個特定感測結構的位移。以一個單軸偏移(Yaw)陀螺儀為例，探討最簡單的工作原理。兩個正在動作的質量向相反方向做連續動作，如水平方向箭頭所示。只要從外部施加一個角速率，就會出現一個科氏力，力的方向垂直於質量動作方向，如垂直方向箭頭所示。產生的科氏力使感測質量發生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為感測器感測部分的動電極(轉子)位於固定電極(定子)的側邊，上面的位移將會在定子和轉子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉化成一個專用電路可以檢測的電子參數。   意法半導體(ST)研製的MEMS陀螺儀感測器採用與該公司已銷售超過六億個的加速度計相同的製程，可為客戶提供最先進且品質可靠的產品，可直接用於終端應用。因為選用了音叉方法設計陀螺儀，其差分特性使系統本身對感測器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低於市場上的其他陀螺儀。當這些無用的訊號被施加到陀螺儀上時，兩個質量就會沿相同方向位移，在一個差分測量後，終端的電容變化將視為無效。    

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