諧振陀螺的工作原理可以世界上第一個實際應用的MEMS陀螺為例說明。

　　MEMS諧振陀螺儀是一種測量角速度的慣性傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、易集成等諸多優點，因此在眾多領域都有廣泛的應用前景。

　　MEMS諧振陀螺的工作原理

　　振動陀螺儀是利用改變振動物體振動平面的方向來產生陀螺力矩，其主體是一個作高頻微幅振動的元件，利用高速振動的質量在被基座帶動旋轉時所產生的哥氏效應來敏感角運動。

　　諧振陀螺的工作原理可以世界上第一個實際應用的MEMS陀螺為例說明。

　　上圖所示是美國Draper實驗室研發的單晶硅雙質量音叉陀螺，采用諧振陀螺工作原理，測量y方向角速率輸入Ω0。振動質量M1和M2作為敏感單元，能夠在x和z兩個方向振動。x方向振動產生運動速度，與角速率輸入Ω0相互作用，產生z方向的Coriolis加速度。振動質量塊在z方向受到Coriolis慣性力作用產生強迫振動。z方向的振動幅值大小就代表了Coriolis加速度的大小，再按照簡單的比例關系就可以計算角速率輸入的大小。

　　音叉陀螺工作原理簡圖

　　還有一類典型的環狀陀螺，類似半球諧振陀螺的工作原理，只是現階段在MEMS陀螺中用圓環結構代替了。圓環振動后圓環變形為一個橢圓（圖2中虛線）。波腹點的振動速度最大，與z方向的角速率輸入在Coriolis效應影響下產生徑向的Coriolis慣性力Fc，迫使圓環在45°方向產生橢圓形狀振動。檢測45°方向振動的振幅就可以計算出Coriolis效應的強度，按照比例得到角速率輸入的大小。

　　振動圓環陀螺的結構和工作原理

　　MEMS諧振陀螺的技術現狀

　　MEMS諧振陀螺最大的特點就是功耗低、體積小、低成本和批量化。消費類電子產品將這個特點發揮到了極致，神秘的高大上慣性儀表因為MEMS技術而走下神壇，融入到我們的日常生活中，在手機里，在汽車上，甚至在我們帶的手表里，穿的衣服里無時無刻不在為我們服務。

　　以高精度、高可靠為最大需求的軍用市場同樣日趨青睞這樣的技術優勢。越來越多的小型或微型宇航、航空、武器平臺因為儀表的小型化而使總體小型化、規模化成為可能。無人機就是最好的例子。當陀螺慣組可以用￥100元以內的價格買到時，作為無人機核心的飛行控制系統就可以用￥500元以內的價格完成，￥2000元甚至更低價格的消費類無人機就遍地開花了。

　　從2010年以來，MEMS慣性儀表結構設計和前道加工工藝已經日趨成熟，封裝技術是近五年來的研究熱點。通過封裝技術的層層推進，消費類電子的集成度越來越高。如BOSCH采用堆疊封裝的方法實現1.5mm×1mm三軸加速度計儀表和2.6mm×2mm三軸一體陀螺。

　　近年，消費類電子產品大量應用高集成度的MEMS慣性組合。高密度封裝技術滿足了消費類電子對體積、成本、功耗的苛刻要求。如ST公司、Bosch公司、InvenSense公司都實現單芯片內3軸陀螺、3軸加速度計、3軸磁強計的封裝。

　　基于封裝的陀螺敏感結構應力釋放方法對儀表精度提高的效果十分的明顯。所以2010年后Sensonor投入大量研究力量集中在研究儀表敏感結構的無應力封裝技術上。

　　再談談石英音叉陀螺，雖然迄今為止石英音叉陀螺是否屬于MEMS概念覆蓋的范疇仍舊在學術界有一定爭議，但不得不說石英的加工工藝要比硅MEMS歷史更悠久，技術更成熟穩定。所以石英音叉陀螺更早面向市場，更廣泛地得到了應用，更穩定地表現使它在50年的歷史中長盛不衰。石英材料本身的穩定性也比硅材料更具優勢，天然的壓電效應讓結構本身即作為機械體也作為電學測量元件。