在微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)出現(xiàn)之前，慣性傳感器都是高成本的精密儀器，通常用于高端應(yīng)用。隨著 MEMS 技術(shù)的成熟，低成本固態(tài)芯片級慣性傳感器已成為大型高端慣性傳感器的替代品。 MEMS 進(jìn)入慣性傳感市場，提供了廣泛的性能能力，并使慣性傳感技術(shù)能夠比以往應(yīng)用于更多的應(yīng)用。
加速度計是負(fù)責(zé)測量慣性加速度或速度隨時間變化的主要傳感器，有多種不同類型，包括機(jī)械加速度計、石英加速度計和 MEMS 加速度計。 MEMS 加速度計本質(zhì)上是一個由彈簧懸掛的質(zhì)量塊，如圖 1.6a 所示。該質(zhì)量稱為檢驗質(zhì)量，允許質(zhì)量移動的方向稱為靈敏度軸。
當(dāng)加速度計沿靈敏度軸受到線性加速度時，加速度會導(dǎo)致質(zhì)量塊向一側(cè)移動，偏轉(zhuǎn)量與加速度成正比。
(a) 水平 (b) 垂直
圖：1.6 簡單的加速度計模型
現(xiàn)在考慮旋轉(zhuǎn)加速度計，使靈敏度軸與重力矢量對齊，如圖 1.6b 所示。在這種情況下，重力作用在檢驗質(zhì)量上，導(dǎo)致其向下偏轉(zhuǎn)。因此，加速度計可以測量運(yùn)動引起的線性加速度以及重力引起的偽加速度。由重力引起的加速度被稱為偽加速度，因為它實際上不會導(dǎo)致速度或位置的變化。
在圖 1.6b 所示的坐標(biāo)系中，重力引起的偽加速度測量為 -1 g，因為重力對加速度計的影響與負(fù) z 軸運(yùn)動產(chǎn)生的加速度相同。還需要注意的是，在自由落體過程中，加速度計中的彈簧不會偏轉(zhuǎn)，因此傳感器報告的加速度為零，但實際加速度不為零。
陀螺儀是一種慣性傳感器，用于測量物體相對于慣性參考系的角速率。 MEMS 陀螺儀通過應(yīng)用科里奧利效應(yīng)理論來測量角速率，科里奧利效應(yīng)是指作用于相對于旋轉(zhuǎn)框架運(yùn)動的物體的慣性力。為了更好地理解，請考慮懸掛在彈簧上的質(zhì)量，如圖 1.7a 所示。該質(zhì)量在 x 軸上具有驅(qū)動力，導(dǎo)致其在 x 軸上快速振蕩。當(dāng)以角速度運(yùn)動時， ω，圍繞 z 軸應(yīng)用。這導(dǎo)致質(zhì)量體在 y 軸上受到科里奧利力的作用，并且由此產(chǎn)生的位移由電容傳感結(jié)構(gòu)測量。
(a) 單一質(zhì)量 (b) 音叉配置
圖：1.7 簡單陀螺儀模型
對該科里奧利力的快速推導(dǎo)可以提供進(jìn)一步的清晰度。質(zhì)量塊的位置，米，在主體框架中由方程給出1:
然后，身體框架中質(zhì)量的慣性速度被定義為位置加上旋轉(zhuǎn)引起的切向速度的導(dǎo)數(shù)。
身體框架中質(zhì)量的慣性加速度可以描述為速度加上旋轉(zhuǎn)引起的切向加速度的導(dǎo)數(shù)。
方程中的第一個元素3表示驅(qū)動軸所經(jīng)歷的加速度，該加速度由陀螺儀電子設(shè)備主動控制。方程中的第二個元素3表示來自陀螺儀傳感軸的加速度。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，感應(yīng)方向上的力的總和等于塊質(zhì)量的乘積，m，以及感應(yīng)方向的加速度，r?y:
出于說明目的，如果質(zhì)量從 y 軸上的靜止開始（y=y˙=y?= 0)，y 軸上的力的總和減少到只有科里奧利項，F(xiàn)y= 2 m ωx˙。由于質(zhì)量在 x 軸上以高頻（10 kHz）驅(qū)動，因此x˙是顯著的，并且科里奧利效應(yīng)會導(dǎo)致 y 軸上與角速率成比例的顯著振蕩位移。
通常，MEMS 陀螺儀使用音叉配置，其中兩個質(zhì)量塊通過彈簧連接，如圖 1.7b 所示。當(dāng)施加角速率時，每個質(zhì)量上的科里奧利力沿相反方向作用，并且由此產(chǎn)生的電容變化與角速度成正比。然而，當(dāng)施加線性加速度時，兩個質(zhì)量塊沿相同方向移動，導(dǎo)致電容沒有變化并且測量的角速率為零。這種配置最大限度地降低了陀螺儀對沖擊、振動和傾斜等線性加速度的敏感度。
磁力計是一種測量磁場強(qiáng)度和方向的傳感器。雖然磁力計有許多不同類型，但大多數(shù) MEMS 磁力計依靠磁阻來測量周圍磁場。磁阻磁力計由坡莫合金組成，其電阻會因磁場的變化而變化。通常，MEMS 磁力計用于測量局部磁場，該磁場由地球磁場以及附近物體產(chǎn)生的任何磁場組合而成。
(a) 標(biāo)準(zhǔn)偶極磁鐵 (b) 地球磁場
圖：1.8 地球磁場的偶極子近似
如圖 1.8 所示，地球磁場是一個自我維持的磁場，類似于磁偶極子，地磁極稍微偏離地理北極和南極。該磁場的特征是其強(qiáng)度和方向在地球上各不相同，并且會隨著時間的推移而變化。
地球磁場的方向包含水平分量和垂直分量，并且通常使用磁傾角和磁偏角來描述。磁傾角描述了地球磁場線與水平面之間的角度。在地球磁極處，磁場是垂直的，傾角為90°，而地球磁場在赤道處是水平的，傾角為0°。磁偏角用于解釋地球的磁北極與真北或地球的地理北極不在同一位置的事實，并且被表征為這兩個位置之間相對于點(diǎn)的角度的測量。
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