MEMS惯性导航系统

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一、MEMS惯性传感器的功用：

Accel-eration 加速度

Rotation 旋转

Tilt 倾角测量

Shock 撞击

Vibration 振动

1. 中国MEMS惯性传感器行业定义 根据国家标准GB7665-87，传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置。惯性传感器是一种用于检测被 测物体惯性力，进而测量其加速度、角速度及相应运动状态变化的传感器。 MEMS惯性传感器是利用MEMS微加工技术和半导体集成电路制造技术制作 而成的惯性传感器，由质量块、弹性元件、敏感元件等机械结构件（传感器芯片）和信号处理电路（ASIC）等部分组成。

2. 中国MEMS惯性传感器行业分类 可以根据根据被测物理量，将MEMS惯性传感器分成三类。

3. 中国MEMS惯性传感器行业特征 惯性传感组合（IMU）是基于MEMS技术的惯性传感器组合，由加速度计和陀螺仪共同组成，基于加速度计和陀螺仪原理，测量功能全面，可测量空间多 个方向的加速度和角速度。其行业特征包括产品下游应用广泛、中国本土竞争力弱、细分市场差异化。

二、MEMS加速度传感器：

因为惯性加速度的原理，故用以上的结构计算加速度的大小。

根据以上的公式推理，劲度系数是弹簧的特性是已知的，质量块的质量也是已知的，所以只要获得弹簧的形变量，就可以推算出载体的加速度。

原理是通过质量块凸出来的部分（finger），在质量块移动的过程中，质量块凸出的部分会在两个电容极板之间移动，产生一个电容差，在中间的时候电容差=0（C1=C2）。通过电容差就可以知道弹簧的形变量，也就可以推出载体的加速度。

双轴的情况

三轴的情况，这种情况中,器件不是正方体（3*3*1），因为Z轴非差分的原因，所以上下没有设置弹簧，只是和X和Y轴形成的基底进行计算电容差。故X和Y轴两个是一个性能，Y轴是一个略差的性能。

下图是3轴MEMS加速度传感器的封装结构，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z轴与X-Y轴从结构上是分开设计的。

下图是MEMS芯片X-Y轴部分内部结构图，梳状结构紧密排列。

下图来自博世，显示了微观转态下MEMS加速度传感器的梳状结构。

下图来自博世，但物体产生加速度时，带动梳妆结构产生位移，使梳妆结构间电容改变，从而测量出加速度值。

三、MEMS陀螺仪传感器

MEMS陀螺仪又称MEMS角速度传感器，是一种测量角速度传感器，其原理相对来说复杂点。

测量角速度，不是一件容易的事情，必须在运动的物体中，寻找到一个静止不动的锚定物——这个锚定物就是陀螺。人们发现，高速旋转中的陀螺，角动量很大，旋转轴不随外界运动状态改变而改变，会一直稳定指向一个方向。

陀螺仪能有什么用？最大的用处就是用来保持稳定。动物界中稳定性最好的就是禽类动物，譬如鸡，所以很多人开玩笑说，鸡的脑袋里肯定装了一个先进的陀螺仪，不管怎么动它，脑袋就是不动。而用陀螺仪，也可以保持机器的稳定性。

至于陀螺仪的结构，核心就是一个呼呼转不停的转子，作为其他运动物体的静止锚定物。下图，高速旋转的陀螺在一条线上保持平衡，这就是陀螺仪的基本原理。

再回到MEMS陀螺仪，与传统的陀螺仪工作原理有差异，因为“微雕”技术在硅片衬底上加工出一个可转动的立体转子，并不是一件容易的事。

MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力原理——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。怎么描述这种科里奥利力呢？可以想象一下游乐场的旋转魔盘，人在旋转轴附近最稳定，但当大圆盘转速增加时，人就会自动滑向盘边缘，仿佛被一个力推着一样向沿着圆盘落后的方向渐渐加速，这个力就是科里奥利力。

所以MEMS陀螺仪的结构，就是一个在圆盘上的物体块，被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡。由于在旋转状态中做径向运动，因此就会产生科里奥利力。MEMS陀螺仪通常是用两个方向的可移动电容板，通过电容变化来测量科里奥利力。

下图是MEMS陀螺仪的工作动图，传感器的外框在旋转运动期间沿相反方向摆动，当物体旋转时，内部梳状结构一部分产生偏转，改变梳状结构间的距离，从而改变电容，测量出转角。

下图是一颗封装好的3轴MEMS陀螺仪，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，整个器件尺寸为4mmX4mmX1.1mm。

下图是MEMS芯片围观结构，各种机械结构密密麻麻，像是一个宏伟的建筑。注意看，左上角是一根头发丝。

四、MEMS组合惯性传感器

MEMS组合惯性传感器不是一种新的MEMS传感器类型，而是指加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等的组合，利用各种惯性传感器的特性，可以实现全方位、立体运动的检测。

组合惯性传感器的一个被广为熟悉的应用领域就是惯性导航，比如飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用。相关介绍可以查看《总算明白了，现代战争，打的都是传感器》。

下图是Silicon Sensing Systems推出的一款惯性组合传感器（左）和MEMS芯片（右），包括一颗ASIC芯片，一颗MEMS陀螺仪芯片和一颗加速度计芯片，采用陶瓷基板和引线键合。

五、输出原理：

参考以下文章：c10大MEMS传感器原理全解析！网上很难找到！（60+图片） (baidu.com)