环球热讯:加速度计和陀螺仪传感器设计原理是什么?有哪些应用?

引言

微机电系统(MEMS)将机械和电子元件集成在微米级的小型结构中。利用微机械加工将所有电气器件、传感器和机械元件集成至一片共用的硅基片，从而由半导体和微加工技术组合而成。MEMS系统的主要元件是机械单元、检测电路以及ASIC或微控制器。本文简要介绍MEMS加速度计传感器和陀螺仪，讨论其工作原理、检测结构以及目前市场的热点应用，对我们日常生活具有深远的影响。

(资料图)

1 MEMS惯性传感器

MEMS传感器在许多应用中测量沿一个或多个轴向的线性加速度，或者环绕一个或多个轴的角速度，以作为输入控制系统(图1)。

MEMS加速度计传感器通常利用位置测量接口电路测量物体的位移，然后利用模/数转换器(ADC)将测量值转换为数字电信号，以便进行数字处理。陀螺仪则测量物体由于科里奥利加速度而发生的位移。

2 加速度计工作原理

根据牛顿第二定律，物理加速度(m/s2)与受到的合力(N)成正比，与其质量(kg)成反比，加速度方向与合力相同。

值得注意的是，加速度计的作用力检测单元捕获产生加速的力。所以，加速度计实际测量的是力，而不是加速度;基本上是通过测量施加在加速度计其中一个轴向的作用力间接测量加速度。

加速度计也是一种机电装置，包括孔、空腔、弹簧和管道，机械加工采用微加工技术。加速度计采用多层晶圆工艺，通过检测物体重心相对于固定电极的位移测量加速力。

3 加速度计的检测单元

加速度计常见的检测方法是电容检测，其中加速度与运动产生的电容变化相关(图2)。这种检测技术的优点是高精度、高稳定度、低功耗，以及结构简单，不容易受噪声及温度波动的影响。由于电容式加速度计的物理结构(弹簧)以及IC内的空气作为阻尼器，其带宽只有几百赫兹。

ε0 =自由空间的介电常数

εr = 电极板之间的材料的相对介电常数

A = 电极板之间的重叠面积

D = 电极板之间的距离

电容结构可以为单侧或差分对。我们以差分对加速度计为例进行介绍(图3)。加速度计包括单个可移动物体(一个表面)，物体沿着弹簧方向放置，介于两个固定的硅基片或电极(另一平面)之间。显而易见，物体相对于固定电极(d1和d2)运动(Motion x)，造成电容发生变化(C1和C2)。通过计算C2和C1之差，得出物体重心的位移及其方向。

可移动物体的位移(微米)是由于加速引起的，造成电容发生极其微小的变化，可正确检测到这一变化(式1)。这种方式需要使用多个可移动和固定电极，采用并联配置;可产生更大的电容变化，提高检测精度，并最终使电容检测技术更加可行。

上述过程可简单归纳为：作用力导致物体发生位移，进而发生电容变化。将多个电极并联，可获得更大的电容变化，更容易检测到位移(图4)。V1和V2连接至电容的每侧，电容分压器的中心连接到物体。

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