加速度計(jì)和陀螺儀傳感器：原理、檢測(cè)及應(yīng)用

　　引言

　　微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)將機(jī)械和電子元件集成在微米級(jí)的小型結(jié)構(gòu)中。利用微機(jī)械加工將所有電氣器件、傳感器和機(jī)械元件集成至一片共用的硅基片，從而由半導(dǎo)體和微加工技術(shù)組合而成。MEMS系統(tǒng)的主要元件是機(jī)械單元、檢測(cè)電路以及ASIC或微控制器。本文簡(jiǎn)要介紹MEMS加速度計(jì)傳感器和陀螺儀，討論其工作原理、檢測(cè)結(jié)構(gòu)以及目前市場(chǎng)的熱點(diǎn)應(yīng)用，對(duì)我們?nèi)粘Ｉ罹哂猩钸h(yuǎn)的影響。

　　1 MEMS慣性傳感器

　　MEMS傳感器在許多應(yīng)用中測(cè)量沿一個(gè)或多個(gè)軸向的線性加速度，或者環(huán)繞一個(gè)或多個(gè)軸的角速度，以作為輸入控制系統(tǒng)(圖1)。

　　MEMS加速度計(jì)傳感器通常利用位置測(cè)量接口電路測(cè)量物體的位移，然后利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字處理。陀螺儀則測(cè)量物體由于科里奧利加速度而發(fā)生的位移。

　　2 加速度計(jì)工作原理

　　根據(jù)牛頓第二定律，物理加速度(m/s2)與受到的合力(N)成正比，與其質(zhì)量(kg)成反比，加速度方向與合力相同。

　　值得注意的是，加速度計(jì)的作用力檢測(cè)單元捕獲產(chǎn)生加速的力。所以，加速度計(jì)實(shí)際測(cè)量的是力，而不是加速度;基本上是通過測(cè)量施加在加速度計(jì)其中一個(gè)軸向的作用力間接測(cè)量加速度。

　　加速度計(jì)也是一種機(jī)電裝置，包括孔、空腔、彈簧和管道，機(jī)械加工采用微加工技術(shù)。加速度計(jì)采用多層晶圓工藝，通過檢測(cè)物體重心相對(duì)于固定電極的位移測(cè)量加速力。

　　3 加速度計(jì)的檢測(cè)單元

　　加速度計(jì)常見的檢測(cè)方法是電容檢測(cè)，其中加速度與運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電容變化相關(guān)(圖2)。這種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是高精度、高穩(wěn)定度、低功耗，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不容易受噪聲及溫度波動(dòng)的影響。由于電容式加速度計(jì)的物理結(jié)構(gòu)(彈簧)以及IC內(nèi)的空氣作為阻尼器，其帶寬只有幾百赫茲。

　　ε0 =自由空間的介電常數(shù)

　　εr = 電極板之間的材料的相對(duì)介電常數(shù)

　　A = 電極板之間的重疊面積

　　D = 電極板之間的距離

　　電容結(jié)構(gòu)可以為單側(cè)或差分對(duì)。我們以差分對(duì)加速度計(jì)為例進(jìn)行介紹(圖3)。加速度計(jì)包括單個(gè)可移動(dòng)物體(一個(gè)表面)，物體沿著彈簧方向放置，介于兩個(gè)固定的硅基片或電極(另一平面)之間。顯而易見，物體相對(duì)于固定電極(d1和d2)運(yùn)動(dòng)(Motion x)，造成電容發(fā)生變化(C1和C2)。通過計(jì)算C2和C1之差，得出物體重心的位移及其方向。

　　可移動(dòng)物體的位移(微米)是由于加速引起的，造成電容發(fā)生極其微小的變化，可正確檢測(cè)到這一變化(式1)。這種方式需要使用多個(gè)可移動(dòng)和固定電極，采用并聯(lián)配置;可產(chǎn)生更大的電容變化，提高檢測(cè)精度，并最終使電容檢測(cè)技術(shù)更加可行。

　　上述過程可簡(jiǎn)單歸納為：作用力導(dǎo)致物體發(fā)生位移，進(jìn)而發(fā)生電容變化。將多個(gè)電極并聯(lián)，可獲得更大的電容變化，更容易檢測(cè)到位移(圖4)。V1和V2連接至電容的每側(cè)，電容分壓器的中心連接到物體。