陀螺仪原理是怎样整合到芯片里面的呢

很高兴能够看到和解答这个物理方面的问题。

陀螺仪是在角动量守恒理论的基础上开发的一种用于测量和保持方向的设备。一旦陀螺仪开始旋转，由于轮子的角度，陀螺仪趋向于抵抗变化的方向。

众所周知，在没有外力的影响下，在旋转体的旋转轴上指示的方向不会改变。

如果您正在玩陀螺仪，您会知道，如果陀螺仪与外力碰撞，其轴的方向将不会随着外力的方向而变化。我们骑自行车，实际上也使用了这个原理。车轮旋转得越快，越容易翻滚，因为轴具有将其水平固定的能力。

因此，人们使用它来保持方向，将制造的东西称为陀螺仪，然后使用各种方法读取轴示的方向，并将数据信号自动传输到控制系统。

具有三个自由度的陀螺仪主要包括两个主要特征：稳定性，进动

> 1，稳定性：具有三个自由度的陀螺仪在空间方向上保持旋转轴（或角动量矢量）不变的能力。称为陀螺电阻。 >具有三个自由度的陀螺仪的稳定性有两种形式：轴向和八边形。 >轴的恒定性：当具有三个自由度的陀螺仪的转子高速旋转时，如果无论基座如何旋转，它都不会在外部力矩的影响下起作用，则固定在万向架上的陀螺仪会指示惯性空间的方位角，此功能称为轴向。 >章动：当陀螺仪受到瞬时冲击力时，旋转轴在初始位置附近发生微小移动，其转子尺寸在方向上基本不变。

当章动锥的角度为零时，即轴是固定的。章动是陀螺稳定的一种常见形式，而轴确定是陀螺稳定的一种特殊形式。

围绕支撑体高速旋转的固体称为陀螺仪。通常，陀螺仪是对称陀螺仪，它是具有均匀质量分布和轴向对称性的固体，并且其几何轴是其旋转轴。后退式机翼（平衡器）的原理类似于苍蝇的原理。

在某些初始条件下以及在某个外部力矩的作用下，陀螺仪不停地旋转，并绕另一个固定的旋转轴旋转，这是陀螺仪的进动（进动），也称为陀螺效应。陀螺仪进动在日常生活中是司空见惯的，例如，许多人在童年时期就玩过陀螺仪。

利用陀螺仪的机械特性创建的陀螺仪（陀螺仪）广泛应用于科学，技术，军事等各个领域。例如：陀螺罗盘，方向探测器，弹丸反射，陀螺章动等等。

陀螺仪可分为感官陀螺仪和指尖陀螺仪。陀螺仪-在人体自动运动控制系统中使用的传感器，作为高度，垂直，俯仰，航向和角速度的传感器。陀螺仪-主要用于指示飞行模式的指针，用作飞行和导航工具。

陀螺仪分为电子，压电，微机械，光纤和激光，它们都是电子的，可以由带有加速度计的惯性导航系统，磁阻晶体，GPS制成。

陀螺仪基本上是一种机械设备，其主要部分由一个转子组成，该转子的旋转轴线位于支架中的轴的旋转角速度很高。内部框架连接转子XX1的轴线和转子的中心轴线。之后，陀螺仪可以绕平面的两个轴自由移动。带有带外圈的内框架；该陀螺仪具有两个平衡环，可以绕平面[2]绕三个轴自由移动，这是一个全空间陀螺仪（空间陀螺仪）。

1850年法国物理学家莱昂·福柯（Leon Foucault）研究地球自转时，首先发现了高速旋转的转子

陀螺仪是一种古老且可行的仪器，自首款真正实用的陀螺仪问世以来已经存在了半个多世纪，但由于其功能，仍吸引着人们对其进行研究。陀螺仪的主要特征是其稳定性和动。从儿童时代开始，人们就一直在使用高速旋转的陀螺仪，陀螺仪可以垂直但不垂直于地球表面，这反映了它们的稳定性。研究陀螺仪动力学特性的理论是刚体围绕固定运动点的动力学分支，该运动基于刚体的惯性并研究旋转体的动力学特性。

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陀螺仪芯片它只能输出X、Y、Z轴的加速度数据、倾角数据，它不能直接的调节平衡，不同于机械陀螺仪。

机械陀螺仪

采用白转转子转动或载体的振动产生陀螺力矩来测量角运动的陀螺仪。

机械陀螺仪以经典力学为基础，具有高速转动的转子或振动的部件。常见的机械陀螺仪有刚体转动陀螺仪、振动陀螺仪和半球谐振陀螺仪等。刚体转动陀螺仪是把高速旋转的刚体转子支承起来，使之获得转动自由度的一种装置，它可用来测量角位移或角速度；振动陀螺仪是利用振动叉旋转时的哥氏角加速度效应做成的测量角速度的装置；半球谐振陀螺仪则利用振动杯旋转时的哥氏加速度效应做成的测量角位移的装置。

陀螺仪芯片

陀螺仪芯片技术是建立在/纳米技术基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。

这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。是一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

陀螺仪芯片原理整合

陀螺仪芯片的工作原理 传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是陀螺仪芯片的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。下面是导出科里奥利力的方法。有力学知识的读者应该不难理解。

在空间设立动态坐标系如图。用方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、科里奥利加速度和切向加速度。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，在陀螺仪芯片的设计上，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。陀螺仪芯片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（有点像加速度计中的自测试模式），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（就像加速度计测量加速度）。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。

陀螺仪芯片结构

陀螺仪芯片的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的陀螺仪芯片均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的陀螺仪芯片没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。

绝大多数陀螺仪芯片依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。

通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致，以实现最大可能的能量转移，从而获得最大灵敏度。大多数陀螺仪芯片驱动和传感模式完全匹配或接近匹配，它对系统的振动参数变化极其敏感，而这些系统参数会改变振动的固有频率，因此需要一个好的控制架构来做修正。如果需要高的品质因子，驱动和感应的频宽必须很窄。增加1%的频宽可能降低20%的信号输出。还有阻尼大小也会影响信号输出。