加速度计和陀螺仪传感器原理、检测及应用摘要：微机电系统（MEMS）在消费电子领域的应用 越来越普及，移动市场的增长也带动了 MEMS 需求的日益旺 盛。实际上，MEMS传感器正在成为消费类和移动产品差异 化的关键要素，例如游戏控制器、智能手机和平板电脑。 MEMS 为用户提供了与其智能设备交互的全新方式。本文简 要介绍MEMS的工作原理、检测架构以及各种潜在应用。本 文网络版地址： http： /www.eepw.com.cn/article/247467.htm关键词：MEMS；加速度计；陀螺仪；传感器DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.013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。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。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）。VI和V2连接至电容的每侧，电 容分压器的中心连接到物体。物体重心的模拟电压通过电荷放大、信号调理、解调及 低通滤波，然后利用工- ADC将其转换为数字信号。将 ADC 输出的数字比特流送至 FIFO 缓存器，后者将串行信号 转换为并行数据流。随后，可通过诸如 I2C 或 SPI 等串行协 议读取数据流，再将其送至主机做进一步处理（图 5）。工- ADC具有信号带宽较窄，分辨率非常高，适合加 速度计应用。工- ADC输出由其位数决定，很容易转换成 “g” （单位），用于加速度计算。“g”为重力加速度。例如，10 位 ADC 的满幅读数为（210 - 1=1023，以 3.3V 为基准，如果 X 轴读数为 600，那么我们即可利用下式得出 X 轴的电压：X 电压=（600 X 3.3） /1023 = 1.94V （3） 每个加速度都具有零点加速度对应的电压，该电压对应 于0g。我们首先计算相对于零加速度0g电压的偏移（在数 据资料中给出，假设为 1.65V）：1.94V - 1.65V = 0.29V （4）现在，为进行最终转换，我们将 0.29V 除以加速度计的灵敏度（在数据资料中给出，假设为 0.475 V/g）： 0.29V/0.475V/g = 0.6g （5）4 多轴加速度计下面，我们结合图 3 并以一个实际的加速度计为例进行 讨论（图 6）。我们可清晰地将加速度计的每个元件与其力学模型关 联起来。将加速度计进行简单组装（ 90 度，如图 7 所示），即可 得到较精密应用所需的 2 轴加速度计。有两种方法可构建两轴加速度计：将两个不同的单轴加 速度计传感器互相垂直安装；使用单个质量块，利用电容传 感器测量沿两个轴向的运动。5 选择加速度计 为指定应用选择加速度计时，考虑以下关键特性非常重1. 带宽（Hz）：传感器的带宽表示加速度计能够响应的 振动频率范围，或者能够获取可靠读数的频率。人类不可能 产生超出10Hz-12Hz范围的运动。所以，对于检测倾斜或人 体运动来说，40Hz至60Hz采样带宽足以满足要求。2. 灵敏度（mV/g或LSB/g）：灵敏度衡量最小可检测 信号，或输入级每次变化时输出电信号的变化。与检测频率 点相关。3. 电压噪声密度（“g/SQRT Hz）：电压噪声随带宽的平 方根倒数变化。我们读取加速度计的速度变化越快，得到的 精度越差。工作在输出信号较小的较低g条件时，噪声对加 速度计性能的影响较大。4. 0g 电压：该指标表示加速度为 0g 时预计输出电压的 范围。5. 频率响应（Hz）：以容限范围（5%等）给出频率范 围，在该频率范围内，传感器将检测运动并提供有效输出。 规定的容限范围使用户能够计算器件在规定频率范围内的 任何频率下相对于参考灵敏度的偏差。6. 动态范围（g）：加速度计可测量的最小检测幅值与输 出信号失真或削波之前最大幅值之间的范围。6 加速度计与陀螺仪的比较介绍MEMS应用之前，我们必须理解加速度计与陀螺仪之间的不同。加速度计测量沿一个或多个轴的线性加速度（单位为mV/g）；陀螺仪测量角速度（单位为mV/deg/s）。如果我们使加速度计进行旋转（例如俯仰）（图 8），d1 和 d2 的距离不发生变化。所以加速度计的输出不响应角速度变 化。我们可构建不同的传感器，包含谐振传感器的内部框架 通过弹簧连接至基片，与谐振运动成 90 度角（图 9）。那么 我们就可以通过检测内部框架和基片之间安装的电极电容， 测量科里奥利加速度。6 加速度计和陀螺仪应用加速度计很久以来被广泛用于汽车领域，用于检测汽车 碰撞，或在正确的时间开启气囊。其在移动领域的应用也很 普遍，例如肖像和风景模式之间切换、轻触切换至下首歌曲、 设备放在口袋时通过衣服轻拍，或者防抖动拍摄及光学稳 像。8 光学稳像人类手臂晃动的频率极低（10Hz至20Hz）。用最小、最 轻的智能手机及照相机拍摄图片时，手会发生抖动，造成图 像模糊。诸如光学缩放等特性加剧了这一问题，使图像更加 模糊。假设一部 SVGA 照相机的分辨率为 800x600 像素，视角 为 45 度，传感器水平漂移为 0.08 度。 45/800 = 0.056 度，对 应于1.42 像素的模糊。随着照相机分辨率的提高，模糊覆盖 更多像素，造成图像失真更严重。基于陀螺仪的光学稳像（图 11）及修正软件通过将机械 陀螺仪的测量数据发送至微控制器及直线电机，以移动图像 传感器，从而补偿图像模糊。9 手势控制我们可将MEMS加速度计传感器用于无线鼠标的手势 控制、轮椅方向控制或Wii?控制台中的陀螺仪。其它例子 还包括利用手势控制电视上光标的智能设备、“虚拟”旋钮 甚至利用手持式无线传感器单元控制外部设备的手势命令。10 结论MEMS 加速度计传感器和陀螺仪长久以来已经广泛用 于运输、太空、工业机器人及汽车领域。但其应用的多样性 现在已经扩展至智能手机，为我们提供了与智能设备进行运 动和手势交互的全新方式。理解MEMS行为以及加速度计或 陀螺仪的特性，使设计者能够为大批量应用设计更高效和低 成本产品。这些MEMS器件也允许我们创建新的应用，颠覆 运动、身体活动及手势对我们日常生活的影响。