MEMS傳感器市場浪潮可以從最早的汽車電子到近些年來的消費(fèi)電子，和即將來到的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。如今單一的傳感器已不能滿足人們對功能、智能的需要，像包括MEMS慣性傳感器、MEMS環(huán)境傳感器、MEMS光學(xué)傳感器、甚至生物傳感器等多種傳感器數(shù)據(jù)融合將成為新時(shí)代傳感器應(yīng)用的趨勢。

工欲善其事，必先利其器，這里就先以MEMS陀螺儀開始，簡要介紹一下MEMS陀螺儀、主要性能參數(shù)和使用。

傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀主要利用角動(dòng)量守恒原理，即：對旋轉(zhuǎn)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不會(huì)隨著承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。MEMS陀螺儀主要利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力）原理，公開的微機(jī)械陀螺儀均采用振動(dòng)物體傳感角速度的概念，利用振動(dòng)來誘導(dǎo)和探測科里奧利力。

MEMS陀螺儀的核心是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制共振運(yùn)動(dòng)，通過科里奧利力原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感測結(jié)構(gòu)的位移。以一個(gè)單軸偏移（偏航，YAW）陀螺儀為例，通過圖利探討最簡單的工作原理。

兩個(gè)相同的質(zhì)量塊以方向相反的做水平震蕩，如水平方向箭頭所示。當(dāng)外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)科氏力，力的方向垂直于質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方向，如垂直方向箭頭所示。產(chǎn)生的科氏力使感測質(zhì)量發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)楦袦y器感測部分的動(dòng)電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會(huì)在定子和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成一個(gè)專用電路可以檢測的電子參數(shù)---電容量。

下圖是一種MEMS陀螺儀的系統(tǒng)架構(gòu)，，陀螺儀的訊號調(diào)節(jié)電路可以分為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和加速度計(jì)感測電路兩個(gè)部分。其中，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)部分是透過靜電引動(dòng)方法，使驅(qū)動(dòng)電路前后振動(dòng)，為機(jī)械元件提供激勵(lì)；而感測部分透過測量電容變化來測量科氏力在感測質(zhì)量上產(chǎn)生的位移。

當(dāng)然，MEMS陀螺儀還具有其它功能模塊，比如自檢功能電路，低功耗以及運(yùn)動(dòng)喚醒電路等等。

下面主要介紹MEMS陀螺儀的主要性能參數(shù)。

量程（動(dòng)態(tài)范圍） DYNANMIC RANGE

靈敏度 SENSORTIVITY RESOLUTION

零角速度輸出（零位輸出）ZERO OUTPUT

軸間交調(diào)靈敏度 INTER AXIS sensitivity

刻度因子

非線性度

線性加速度敏感度

振動(dòng)敏感度

零偏穩(wěn)定性

噪聲密度

角度隨意游走系統(tǒng)

帶寬

偏置電壓靈敏度

自檢功能

功耗

沖擊生存能力

工作溫度范圍

封裝誤差

陀螺儀的量程通常以正、反方向輸入角速率的最大值來表示，比如：+/-300 degree/sec。該值越大表示陀螺儀敏感角速率的能力越強(qiáng)，在此輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀刻度因子非線性度能滿足規(guī)定要求，通常陀螺儀的量程是可以配置的。

靈敏度（分辨率）表示在規(guī)定的輸入角速率下能感知的最小輸入角速率的增量，比如：0.05 degree/sec/LSB。一般而言MEMS陀螺儀的測量范圍越大，靈敏度會(huì)相應(yīng)降低。

刻度因子（標(biāo)度因數(shù)）是指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。這個(gè)比值是用一特定的直線斜率表示的，該直線是根據(jù)整個(gè)輸入角速率范圍內(nèi)測得的輸入、輸出數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合求得。

非線性度是在輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀輸出量相對最小二乘法擬合直線的最大的偏差與最大輸出量之比，表征了陀螺儀實(shí)際輸入和輸出數(shù)據(jù)的偏離程度，決定了該擬合數(shù)據(jù)的可信度。

線性加速度靈敏度反映的是陀螺儀對加速度的敏感程度，單位是degree/sec/g。

振動(dòng)敏感度是指陀螺儀對振動(dòng)的敏感程度，單位是degree/sec/g2。陀螺儀對線性加速度和振動(dòng)越不敏感，那么陀螺儀的性能越好，構(gòu)建的算法也就越有效。

零偏是指陀螺儀在零輸入狀態(tài)下的輸出，其用較長時(shí)間輸出的均值等效折算為輸入角速率來表示，也就是觀測值圍繞零偏的離散程度，比如0.005 degree/sec表示每秒會(huì)漂0.005 degree。在零輸入狀態(tài)下的長時(shí)間穩(wěn)態(tài)輸出是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，即穩(wěn)態(tài)輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動(dòng)，習(xí)慣上用均方差來表示，這種均方差被定義為零偏穩(wěn)定性。而初始零偏誤差可以理解為靜態(tài)誤差，它不會(huì)隨時(shí)間的波動(dòng)，可以用過軟件校準(zhǔn)。

當(dāng)陀螺儀處于零輸入狀態(tài)時(shí)，脫落的輸出信號為白噪聲和慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加。漫變隨機(jī)函數(shù)可用來確定零偏和零偏穩(wěn)定性指標(biāo)，白噪聲定義為單位檢測帶寬平方根下等價(jià)旋轉(zhuǎn)角速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位（degree/sec/√Hz 或 degree/hr/√Hz）。這個(gè)白噪聲也可以用單位為 degree/√Hz 的角度隨意游走系數(shù)來表示，隨機(jī)游走系數(shù)是指由白噪聲產(chǎn)生的隨時(shí)間積累的陀螺儀輸出誤差系數(shù)。當(dāng)外界條件基本不變詩，可以認(rèn)為上面所分析的各種噪聲的主要統(tǒng)計(jì)特性是不隨時(shí)間推移而變化的。

偏置電壓靈敏度是指陀螺儀的輸出對供電電源變化的敏感程度，比如：0.03degree/sec/V，即供電電源每變化1V，輸出角速率變化多少。

帶寬是指陀螺儀能夠精確測量輸入的角速率的頻率范圍，這個(gè)范圍越大表明陀螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力越強(qiáng)。

自檢功能在使用前自動(dòng)測試器件的機(jī)械和CMOS電路部分，以提供系統(tǒng)的魯棒性。

功耗包括陀螺儀在不同分辨率或不同數(shù)據(jù)輸出率下運(yùn)行時(shí)的功耗，休眠功耗。在低功耗應(yīng)用像可穿戴、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等領(lǐng)域這個(gè)指標(biāo)尤為重要。

沖擊生存能力指陀螺儀承受不同程度下加速度沖擊的能力，比如：2000g加速度沖擊后陀螺儀保證系統(tǒng)正常工作。考慮到陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境可能會(huì)收到較大的沖擊時(shí)，這個(gè)指標(biāo)尤為重要，一般陀螺儀受到超過它的加速度承受范圍會(huì)掛掉，必須重啟上電后才能正常工作。

MEMS陀螺儀的機(jī)械架構(gòu)決定了溫度會(huì)影響數(shù)據(jù)的輸出，而超過工作溫度范圍可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出產(chǎn)生較大的偏差。

封裝誤差是裸片對角線和封裝對角線的夾角。