МЭМС-гироскоп измеряет угловую скорость, а МЭМС-ускоритель - линейное ускорение. В первом случае используется принцип инерции, а во втором - принцип баланса сил. Измеренное значение акселерометра корректно в течение длительного времени, но в течение короткого времени возникает погрешность из-за наличия шума сигнала. Гироскопы более точны в короткое время, а в длительное время будут иметь место ошибки из-за дрейфа. Поэтому для обеспечения правильного курса необходимы оба датчика (взаимная подстройка). В настоящее время общие инерциальные системы ориентации, такие как IMU (Inertial Measurement Unit), состоят из трехосевого гироскопа и трехосевого акселерометра.
Существуют три вида МЭМС-акселерометров с развитой технологией: пьезоэлектрические, емкостные и тепловые. Пьезоэлектрический МЭМС-акселерометр использует пьезоэлектрический эффект. Внутри акселерометра находится блок масс, опирающийся на жесткое тело. При движении блок масс создает давление, жесткое тело - деформацию, а ускорение преобразуется в электрический сигнал.
Внутри емкостного МЭМС-акселерометра также находится блок масс. Из отдельных блоков он представляет собой стандартный плоский конденсатор. Изменение ускорения приводит к тому, что подвижный блок масс изменяет расстояние между двумя полюсами пластинчатого конденсатора и положительным участком. Ускорение вычисляется путем измерения изменения емкости.
Внутри теплового МЭМС-акселерометра нет блока масс. В центре расположено нагревательное тело, вокруг него - датчик температуры, а внутри - закрытая воздушная камера. Под действием нагревательного тела в процессе работы газ образует внутри горячую воздушную массу. Удельный вес горячей воздушной массы отличается от удельного веса окружающего холодного воздуха.
Изменение теплового поля, вызванное движением горячей воздушной массы, заставляет датчик воспринимать значение ускорения. Из-за наличия жесткой опоры внутри пьезоэлектрического МЭМС-акселерометра обычно пьезоэлектрический МЭМС-акселерометр может воспринимать только "динамическое" ускорение, но не "статическое" ускорение, т.е. гравитационное ускорение. Емкостной и тепловой типы могут воспринимать как "динамическое", так и "статическое" ускорение.
Из приведенного выше анализа видно, что при использовании емкостных и тепловых акселерометров для ориентации измеряемое акселерометром ускорение включает в себя гравитационную составляющую ускорения силы тяжести по каждой оси и составляющую ускорения, вызванную динамическим движением. Поэтому, на мой взгляд, при использовании данного типа акселерометров для ориентации необходимо убрать динамическое ускорение (это сложнее); При детектировании движения микросхемы необходимо убрать гравитационное ускорение.
МЭМС-гироскопы используют силу Кориолиса - тангенциальную силу, возникающую у вращающегося объекта при его радиальном движении. Если предположить, что вращающийся объект имеет радиальную скорость Vr, то будет возникать тангенциальное ускорение Кориолиса.
Из приведенной формулы видно, что ускорение Кориолиса пропорционально угловой скорости вращения объекта. Если установить акселерометр в тангенциальном направлении для измерения кориолисова ускорения, то можно косвенно получить угловую скорость вращения объекта.
Таким образом, в конструкции гироскопа МЭМС объект приводится в радиальное движение или совершает непрерывные колебания вперед-назад, а соответствующая сила Кориолиса постоянно изменяется вперед-назад в горизонтальном направлении, что может вызвать небольшие колебания объекта в горизонтальном направлении, причем фаза отклоняется от движущей силы ровно на 90 градусов. МЭМС-гироскопы обычно имеют подвижные конденсаторные пластины в двух направлениях. Радиальная емкостная пластина плюс колебательное напряжение заставляют объект двигаться в радиальном направлении (что напоминает режим самотестирования в акселерометре), а поперечная емкостная пластина измеряет изменение емкости за счет поперечного кориолисова движения (как и акселерометр, измеряющий ускорение). Поскольку сила Кориолиса пропорциональна угловой скорости, угловая скорость может быть рассчитана по изменению емкости.