MEMS陀螺仪的简史

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）陀螺仪基于科里奥利力（Coriolis Force）原理，用于测量角速度。它们广泛应用于导航、智能手机、游戏控制器等领域。

科里奥利力（Coriolis Force）的发展历程

科里奥利力（Coriolis force）是物理学中一个重要的概念，用于描述在旋转参考系中运动物体所受到的惯性力。16世纪末到17世纪初，伽利略提出了惯性和相对运动的基本概念，为后来的科里奥利力奠定了基础。艾萨克·牛顿在17世纪晚期和18世纪早期发展了经典力学的基本框架，包含了惯性力的概念，虽然他没有具体定义科里奥利力，但他的工作为科里奥利力的理解奠定了基础。

1835年，法国科学家伽斯帕尔-古斯塔夫·科里奥利（Gaspard-Gustave de Coriolis）在他的论文《论旋转系统中的惯性力》中详细描述了这种力。他定义了在旋转参考系中，运动物体将会经历一个与其速度和旋转轴成正交方向的力，即今天所称的科里奥利力。

科里奥利力是一种惯性力，当一个物体在旋转参考系中运动时，科里奥利力作用于这个物体。它的公式为：Fc = 2m(v×ω)

其中，Fc是科里奥利力，m是物体的质量，v是物体在旋转参考系中的速度，ω是旋转角速度。

20世纪早期，科里奥利力在气象学和海洋学中得到了广泛应用。特别是，它用于解释大气和海洋中的流动现象，如风带的偏转和洋流的运动。随着计算能力的提高和物理学的进步，科里奥利力的应用变得更加广泛和精确。在流体动力学和天体物理学中，科里奥利力被广泛用于解释旋转系统中的各种现象。

在当代，科里奥利力的概念被广泛应用于各种工程和技术领域。MEMS陀螺仪直接利用科里奥利力原理测量角速度，这些器件被广泛用于导航系统、智能手机、无人机和其他电子设备中。

MEMS 陀螺仪的发展历程

MEMS技术始于20世纪70年代，但最早的MEMS陀螺仪概念出现在20世纪80年代。硅微加工技术和MEMS技术的进步使得制造微型陀螺仪成为可能。

1982年，IBM Research Laboratory的Kurt E. Petersen于Proceedings of the IEEE发表文章《Silicon as a Mechanical Material》提出制造一系列廉价、批量制造的高性能传感器和换能器（特别介绍了一款陀MEMS螺仪），这些微型器件可以轻松与迅速普及的微处理器相连接，奠定了MEMS研究的基础，推动了硅在机械应用中的广泛使用。

同年Kurt E. Petersen又在IEEE Transactions on Electron Devices发表文章《Micromechanical Accelerometer Integrated With Mos Detection Circuitry》。文章详细描述了一种悬臂梁加速度计，其小型悬臂传感元件与MOS检测电路集成并共同制造。探测器与电路组合的总面积约为15000平方微米。在整个制造过程中，完全采用兼容且常规的材料和工艺步骤。垂直于芯片表面的加速度会引起悬臂梁的运动，这些运动导致电容变化，从而驱动简单的MOS检测电路。测得的灵敏度约为2.2 mV/g，对应于每g加速度约68 nm的梁运动，悬臂梁的机械共振频率为2.2 kHz。这些结果与详细的机械计算和电路建模高度一致。

Petersen在职业生涯中领导了IBM的微机械加工研究组，并创办了多家成功的公司，如NovaSensor和Cepheid，后者开发了用于炭疽检测的PCR生物探测器。他的工作极大地推动了MEMS技术在各个行业的应用。因其在微机电系统（MEMS）领域的开创性贡献，获得了2019年IEEE荣誉奖章。

20世纪90年代初，随着硅微加工技术的成熟，第一批MEMS陀螺仪问世。这些早期器件主要应用于军事和航空航天领域。1991年，美国的Honeywell公司开发了第一款基于MEMS技术的振动陀螺仪。同期，日本的Murata制造所公司也在开发类似的技术。

随着微加工技术的进步，MEMS陀螺仪的性能提高，成本下降，开始在商业市场上普及。进入到21世纪，制造工艺的改进使MEMS陀螺仪在精度、稳定性和功耗方面都有显著提升。深反应离子刻蚀（DRIE）技术的应用使得制造复杂的微机械结构成为可能。这种技术提高了MEMS陀螺仪的精度和性能。与此同时，采用频率调制和闭环控制技术的MEMS陀螺仪在精度和稳定性方面得到了显著提升。

2000年代初，MEMS陀螺仪开始在消费电子市场中广泛应用。STMicroelectronics和Bosch Sensortec等公司推出了一系列用于智能手机、游戏控制器和汽车导航系统的MEMS陀螺仪。2010年后，MEMS陀螺仪在精度和可靠性方面继续提升，部分高端MEMS陀螺仪的性能接近传统的机械式陀螺仪。

Work Consulted:
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