加速度計和陀螺儀傳感器：原理、檢測及應用

　　引言

　　微機電系統(MEMS)將機械和電子元件集成在微米級的小型結構中。利用微機械加工將所有電氣器件、傳感器和機械元件集成至一片共用的硅基片，從而由半導體和微加工技術組合而成。MEMS系統的主要元件是機械單元、檢測電路以及ASIC或微控制器。本文簡要介紹MEMS加速度計傳感器和陀螺儀，討論其工作原理、檢測結構以及目前市場的熱點應用，對我們日常生活具有深遠的影響。

　　1 MEMS慣性傳感器

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

　　MEMS加速度計傳感器通常利用位置測量接口電路測量物體的位移，然后利用模/數轉換器(ADC)將測量值轉換為數字電信號，以便進行數字處理。陀螺儀則測量物體由于科里奧利加速度而發生的位移。

　　2 加速度計工作原理

　　根據牛頓第二定律，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，加速度計的作用力檢測單元捕獲產生加速的力。所以，加速度計實際測量的是力，而不是加速度;基本上是通過測量施加在加速度計其中一個軸向的作用力間接測量加速度。

　　加速度計也是一種機電裝置，包括孔、空腔、彈簧和管道，機械加工采用微加工技術。加速度計采用多層晶圓工藝，通過檢測物體重心相對于固定電極的位移測量加速力。

　　3 加速度計的檢測單元

　　加速度計常見的檢測方法是電容檢測，其中加速度與運動產生的電容變化相關(圖2)。這種檢測技術的優點是高精度、高穩定度、低功耗，以及結構簡單，不容易受噪聲及溫度波動的影響。由于電容式加速度計的物理結構(彈簧)以及IC內的空氣作為阻尼器，其帶寬只有幾百赫茲。

　　ε0 =自由空間的介電常數

　　εr = 電極板之間的材料的相對介電常數

　　A = 電極板之間的重疊面積

　　D = 電極板之間的距離

　　電容結構可以為單側或差分對。我們以差分對加速度計為例進行介紹(圖3)。加速度計包括單個可移動物體(一個表面)，物體沿著彈簧方向放置，介于兩個固定的硅基片或電極(另一平面)之間。顯而易見，物體相對于固定電極(d1和d2)運動(Motion x)，造成電容發生變化(C1和C2)。通過計算C2和C1之差，得出物體重心的位移及其方向。

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

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