Leon Foucault在1852年發(fā)明了世界首個陀螺儀，這種傳統(tǒng)的機械式陀螺儀如圖1所示。Foucault認為，利用固定位置上的旋轉物體可以測量地球的旋轉。在理論上他的想法是正確的，但當時他只能讓物體保持旋轉數(shù)分鐘的時間，因此不足以觀察到地球的顯著運動。不過隨著電氣馬達的發(fā)明，陀螺儀突然變得切實可行了，因為馬達能讓物體無限地旋轉下去。在這種思想指導下，人類發(fā)明了電動回轉羅盤，并很快用于船只和飛機上。
微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的飛速發(fā)展已經允許制造商在微型芯片上制造出完整的陀螺裝置。不僅如此，隨著時間的推移，MEMS陀螺儀價格正變得越來越便宜，體積也越來越小。技術的發(fā)展和價格的降低使得集成式MEMS陀螺儀能很好地工作于許多實際應用場合。
雖然傳統(tǒng)的陀螺儀主要用于測量角位移，但目前的MEMS陀螺儀可以用來測量以度/秒為單位的角速度。如圖1所示的傳統(tǒng)陀螺儀的工作原理是角慣性屬性。當一個旋轉物體，如旋轉陀螺，在它的旋轉軸方向變化方面出現(xiàn)很強的慣性時，這種屬性可以很容易觀察到。
這種現(xiàn)象跟我們能騎自行車的道理是一樣的。圖1所示裝置的中間有個圓盤在高速旋轉。這種旋轉將使圓盤產生巨大的慣性。當裝置旋轉時，中間的圓盤會停留在相同的角位置。此時可以很容易測出圓環(huán)和固定旋轉圓盤之間夾角的變化。陀螺儀的旋轉部分也能有效地用于保持角取向不變，因此陀螺儀在羅盤中得到了很好地應用。
MEMS陀螺儀的原理
MEMS陀螺儀比傳統(tǒng)陀螺儀更有用，因為它們一般測量的是角速度而不角位移。角速度測量更加有用，因為隨著時間的累積能夠間接測量出角位移和速度。
有許多技術可以用來檢測MEMS陀螺儀的角速度。這些技術通常都有一個共同點，即它們使用振動塊而不是使用旋轉塊。振動塊能抵制振動軸向的變化，即使與它相連的結構在旋轉。因此，使用振動而不是全程旋轉可以獲得同樣的旋轉檢測效果，而全程旋轉在MEMS設備中更難實現(xiàn)。
MEMS陀螺儀背后的物理現(xiàn)象就是科里奧利效應。這種現(xiàn)象是當一個物體在旋轉的參考系中作線性方向運動時產生的(請參考圖2)。假設你站在正在旋轉的旋轉木馬上，所處位置標示為t1。如果你決定經直線向外邊走，你就能體會到科里奧利效應。
圖1. 傳統(tǒng)機械式陀螺儀。
圖2. 科里奧利效應中呈現(xiàn)的速度和加速向量。
根據(jù)物理知識我們知道，旋轉木馬上的任何點都有一個瞬時速度Ωr，其中Ω是旋轉速度，r是旋轉木馬上該點的半徑。因此圖2中每個藍色速度向量都有一個幅度 Ωr，如果你站在其中任何點上，你會擁有相同的切向速度。紅色的等速向量代表了徑向速度，是你走向外邊的速度。當你接近外邊時，你的切向速度會增加。這樣就從科里奧利效應獲得了一半的加速效果，其值等于Ωv，其中v代表徑向速度。
科里奧利加速的第二部分來自加速向量(標為綠色)。如果看一下t1和t2處的紅色速度向量，你會注意到它們的幅度是相同的，但它們的方向不同。這種速度向量的方向變化意味著綠色向量的方向上必定存在切向加速。這種加速就是科里奧利加速的另外一半，同樣等于Ωv。因此，如果將兩個獨立的加速向量加在一起，你就可以得到2Ωv。如果你的質量是m，這種加速將對你施加2Ωvm的力。該力會在旋轉木馬上產生幅度相同、方向相反的反作用力，其值等于–2Ωvm。因為這是負值，因此該力的方向與旋轉方向相反。
如果你準備走回到旋轉木馬的中心，那么所有數(shù)學計算都是一樣的，除了紅色速度向量現(xiàn)在指向里面，使它們呈現(xiàn)相反的符號。此時你的反作用力的最終等式是 –2Ω(–v)m，或2Ωvm。因此如果你向里面走，你在旋轉木馬上產生的反作用力幅度將保持不變，方向與旋轉方向保持一致。
