消費(fèi)電子產(chǎn)品中的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）每年都在增長(zhǎng)，移動(dòng)市場(chǎng)的需求也在增加，這主導(dǎo)了這項(xiàng)新興技術(shù)的增長(zhǎng)。事實(shí)上，MEMS傳感器正在成為為游戲機(jī)、智能手機(jī)和平板電腦等消費(fèi)和移動(dòng)市場(chǎng)設(shè)計(jì)差異化產(chǎn)品的關(guān)鍵要素。MEMS為用戶提供了一種與智能設(shè)備接口的新方式。本文概述了MEMS：其工作原理，傳感機(jī)制以及各種潛在應(yīng)用。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）將機(jī)械和電氣組件組合成微米級(jí)的小型結(jié)構(gòu)。它們由半導(dǎo)體和微細(xì)加工技術(shù)的組合形成，使用微機(jī)械加工將所有電子、傳感器和機(jī)械元件集成到一個(gè)共同的硅基板上。任何MEMS系統(tǒng)中的主要組件都是機(jī)械元件、傳感機(jī)制以及ASIC或微控制器。本文概述了MEMS加速度計(jì)傳感器和陀螺儀。我們討論了它們的工作原理、傳感機(jī)制、它們?nèi)找娑鄻踊膽?yīng)用，以及它們已經(jīng)對(duì)我們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。

MEMS作為慣性傳感器

MEMS 傳感器在測(cè)量沿一個(gè)或多個(gè)軸的線性加速度或圍繞一個(gè)或多個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)作為控制系統(tǒng)的輸入方面有許多應(yīng)用（圖 1）。

圖1.角運(yùn)動(dòng)與線性運(yùn)動(dòng)。

所有MEMS加速度計(jì)傳感器通常使用位置測(cè)量接口電路測(cè)量質(zhì)量的位移。然后，該測(cè)量值通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，以進(jìn)行數(shù)字處理。然而，陀螺儀測(cè)量共振質(zhì)量的位移及其框架，因?yàn)榭评飱W利加速度。

加速度計(jì)基本操作

牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律說(shuō)加速度（m/s2）與作用在物體上的凈力（牛頓）成正比，并且方向相同，并且與其質(zhì)量（克）成反比。

加速度 = 力 （牛頓） （米/秒）
2） 質(zhì)量（克）

重要的是要注意，加速度會(huì)產(chǎn)生由加速度計(jì)的力檢測(cè)機(jī)制捕獲的力。因此，加速度計(jì)真正測(cè)量的是力，而不是加速度;它基本上通過(guò)施加在加速度計(jì)軸之一上的力間接測(cè)量加速度。

加速度計(jì)也是一種機(jī)電設(shè)備，包括孔、空腔、彈簧和通道，使用微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行加工。加速度計(jì)采用多層晶圓工藝制造，通過(guò)檢測(cè)質(zhì)量相對(duì)于固定電極的位移來(lái)測(cè)量加速度。

加速度計(jì)的傳感機(jī)制

加速度計(jì)中常用的檢測(cè)方法是電容檢測(cè)，其中加速度與移動(dòng)質(zhì)量的電容變化有關(guān)（圖 2）。這種傳感技術(shù)以其高精度、穩(wěn)定性、低功耗和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)而聞名。它不易產(chǎn)生噪音和隨溫度變化。電容式加速度計(jì)的帶寬只有幾百赫茲，因?yàn)樗鼈兊奈锢韼缀涡螤睿◤椈桑┖捅焕г贗C內(nèi)部的空氣充當(dāng)阻尼器。

C = （ε0× εr× A）/D（法拉）

ε0= 允許的可用空間
εr= 板之間允許的相對(duì)材料
A = 電極之間的重疊面積
D = 電極之間的間隔

圖2.移動(dòng)質(zhì)量和電容。

電容可以布置為單側(cè)或差分對(duì)。讓我們看一下排列為差分對(duì)的加速度計(jì)（圖 3）。它由單個(gè)可移動(dòng)質(zhì)量（一個(gè)平面）組成，該質(zhì)量與機(jī)械彈簧一起放置在兩個(gè)固定的參考硅基板或電極（另一個(gè)平面）之間。很明顯，質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)x）是相對(duì)于固定電極（d1和d2）的，并導(dǎo)致電容（C1和C2）的變化。通過(guò)計(jì)算C2和C1之間的差異，我們可以得出質(zhì)量的位移及其方向。

圖3.與單個(gè)移動(dòng)質(zhì)量相關(guān)的加速度。

可移動(dòng)質(zhì)量（微米）的位移是由加速度引起的，它會(huì)產(chǎn)生極小的電容變化，以便正確檢測(cè)（公式1）。這要求使用多個(gè)可移動(dòng)和固定電極，所有電極都以并聯(lián)配置連接。該配置可實(shí)現(xiàn)更大的電容變化，既可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)，又最終使電容檢測(cè)成為一種更可行的技術(shù)。

讓我們快速總結(jié)一下。力會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量位移，進(jìn)而引起電容變化。現(xiàn)在，并聯(lián)放置多個(gè)電極可以實(shí)現(xiàn)更大的電容，這將更容易被檢測(cè)到（圖 4）。V1 和 V2 是電容器兩側(cè)的電氣連接，形成一個(gè)分壓器，中心點(diǎn)作為我們質(zhì)量的電壓。

圖4.與多個(gè)移動(dòng)質(zhì)量相關(guān)的加速度。

模擬質(zhì)量電壓將經(jīng)過(guò)電荷放大、信號(hào)調(diào)理、解調(diào)和低通濾波，然后使用Σ-Δ ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。然后，來(lái)自ADC的串行數(shù)字位流被傳遞到FIFO緩沖器，該緩沖器將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流。然后可以使用串行協(xié)議（如 I）轉(zhuǎn)換該并行數(shù)據(jù)流2C 或 SPI，然后再發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理（圖 5）。

圖5.加速度計(jì)的電路。

Σ-Δ型ADC具有低信號(hào)帶寬和高分辨率，非常適合加速度計(jì)應(yīng)用。Σ-Δ ADC的輸出值由位數(shù)定義，因此可以非常輕松地轉(zhuǎn)換為加速度計(jì)應(yīng)用的“g”單位。“g”是等于地球在海平面重力的加速度單位：

例如，如果我們的 10 位 ADC 的 X 軸讀數(shù)等于可用 1023 （210- 1 = 1023），以3.3V為基準(zhǔn)，我們可以使用以下公式得出“g”中指定的X軸的電壓：

X - 電壓 = （600 × 3.3）/1023 = 1.94V

每個(gè)加速度計(jì)都有一個(gè)零g電壓電平，即對(duì)應(yīng)于0g的電壓。我們首先計(jì)算零g電壓（數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定，假設(shè)為1.65V）的電壓偏移：

1.94V - 1.65V = 0.29V

現(xiàn)在，為了進(jìn)行最終轉(zhuǎn)換，我們將0.29V除以加速度計(jì)的靈敏度（在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定，假設(shè)為0.475V/g）：

0.29V/0.475V/g = 0.6g

多軸加速度計(jì)

讓我們?cè)倏匆幌聢D3，并添加一個(gè)實(shí)際制造的加速度計(jì)（圖6）。現(xiàn)在，我們可以清楚地將加速度計(jì)的每個(gè)組件與其機(jī)械模型相關(guān)聯(lián)。

圖6.實(shí)際加速度計(jì)的機(jī)械模型。

通過(guò)簡(jiǎn)單地以不同的方式安裝加速度計(jì)（90度，如圖7所示），我們可以創(chuàng)建一個(gè)更復(fù)雜的應(yīng)用所需的2軸加速度計(jì)。

圖7.2 軸加速度計(jì)。

構(gòu)建兩軸加速度計(jì)有兩種方法：將兩個(gè)不同的單軸加速度計(jì)傳感器垂直布置，或者使用單個(gè)質(zhì)量與電容傳感器一起布置來(lái)測(cè)量沿兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。

選擇加速度計(jì)

在為給定應(yīng)用選擇加速度計(jì)時(shí)，重要的是要考慮其一些關(guān)鍵特性：

帶寬（Hz）：傳感器的帶寬表示加速度計(jì)響應(yīng)的振動(dòng)頻率范圍或獲取可靠讀數(shù)的頻率。人類不能創(chuàng)造超出 10Hz 到 12Hz 范圍的身體運(yùn)動(dòng)。因此，40Hz至60Hz的帶寬足以感測(cè)傾斜或人體運(yùn)動(dòng)。

靈敏度（mV/g 或 LSB/g）：靈敏度是最小可檢測(cè)信號(hào)或輸出電信號(hào)隨輸入機(jī)械變化而變化的量度。這僅在一個(gè)頻率下有效。

電壓噪聲密度（μg/SQRT Hz）：電壓噪聲隨帶寬的平方根反比而變化。我們讀取加速度計(jì)變化的速度越快，我們得到的精度就越差。當(dāng)在較低g條件下工作且輸出信號(hào)較小時(shí)，噪聲對(duì)加速度計(jì)的性能有較大影響。

零g電壓：該術(shù)語(yǔ)指定在0g加速度下輸出端可以預(yù)期的電壓范圍。

頻率響應(yīng)（Hz）：這是用公差帶（±5%等）指定的頻率范圍，傳感器將檢測(cè)運(yùn)動(dòng)并報(bào)告真實(shí)輸出。指定的頻帶容差允許用戶計(jì)算器件在其指定頻率范圍內(nèi)的任何頻率下與基準(zhǔn)靈敏度的偏差程度。

動(dòng)態(tài)范圍（g）：這是加速度計(jì)在失真或削波輸出信號(hào)之前可以測(cè)量的最小可檢測(cè)幅度與最大幅度之間的范圍。

加速度計(jì)與陀螺儀

在描述一些MEMS應(yīng)用之前，我們必須了解加速度計(jì)和陀螺儀之間的區(qū)別。加速度計(jì)測(cè)量沿一個(gè)或多個(gè)軸的線性加速度（以 mV/g 為單位）。陀螺儀測(cè)量角速度（以 mV/deg/s 為單位）。如果我們拿起加速度計(jì)并對(duì)其施加旋轉(zhuǎn)（即滾動(dòng)）（圖 8），則距離 d1 和 d2 不會(huì)改變。因此，加速度計(jì)的輸出不會(huì)響應(yīng)角速度的變化。

圖8.加速度計(jì)對(duì)旋轉(zhuǎn)的免疫力。

我們可以以不同的方式構(gòu)建傳感器，因此包含共振質(zhì)量的內(nèi)部框架通過(guò)彈簧相對(duì)于共振運(yùn)動(dòng)成 90 度連接到基板（圖 9）。然后，我們可以通過(guò)安裝在內(nèi)框和基板之間的電極上的電容感應(yīng)來(lái)測(cè)量科里奧利加速度。

圖9.相對(duì)于移動(dòng)質(zhì)量的內(nèi)部和基板表示。

加速度計(jì)和陀螺儀應(yīng)用

加速度計(jì)在汽車(chē)中已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間，用于檢測(cè)車(chē)禍并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候觸發(fā)安全氣囊。它們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備中有許多應(yīng)用，例如在縱向和橫向模式之間切換，點(diǎn)擊手勢(shì)以切換到下一首歌曲，當(dāng)設(shè)備放在口袋中時(shí)點(diǎn)擊衣服，或防模糊捕獲和光學(xué)圖像穩(wěn)定。

室內(nèi)導(dǎo)航

加速度是速度的變化率

α = δv/δ t = δ2X/δt2

我們可以分別通過(guò)單積分或雙積分從加速度輸出中推導(dǎo)出速度和距離信息。通過(guò)添加陀螺儀提供的測(cè)量值，我們可以使用一種特殊技術(shù)來(lái)跟蹤物體相對(duì)于已知起點(diǎn)的位置和方向。此信息用于室內(nèi)導(dǎo)航，無(wú)需外部參考或 GPS 信號(hào)。

光學(xué)圖像穩(wěn)定

人的手以非常低的頻率（10Hz至20Hz）顫抖。使用我們最新的小巧輕便的智能手機(jī)和相機(jī)拍照時(shí)，我們會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，使圖像模糊。光學(xué)變焦等功能加劇了這個(gè)問(wèn)題，并產(chǎn)生了更多的模糊。

當(dāng)使用具有 800x600 像素分辨率的 SVGA 相機(jī)以獲得 45 度視角時(shí)，請(qǐng)考慮水平漂移為 0.08 度的傳感器。45/800 = 0.056 度，對(duì)應(yīng)于 1.42 像素模糊。隨著相機(jī)分辨率的提高，模糊會(huì)覆蓋更多的像素并導(dǎo)致更多的圖像失真。

帶有校正軟件的基于陀螺儀的光學(xué)圖像穩(wěn)定可以通過(guò)將機(jī)械陀螺儀的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器和線性電機(jī)以移動(dòng)圖像傳感器來(lái)補(bǔ)償圖像模糊。

基于手勢(shì)的控制

我們可以使用MEMS加速度計(jì)傳感器對(duì)無(wú)線鼠標(biāo)進(jìn)行基于手勢(shì)的控制，或輪椅方向控制，或Wii控制臺(tái)中的陀螺儀。其他例子包括使用手勢(shì)控制電視上的光標(biāo)的智能設(shè)備，或“虛擬”旋鈕，甚至是手勢(shì)命令來(lái)控制帶有手持無(wú)線傳感器單元的外部設(shè)備。?

結(jié)論

MEMS加速度計(jì)傳感器和陀螺儀長(zhǎng)期以來(lái)一直廣泛用于船舶、航天、工業(yè)機(jī)器人和汽車(chē)等領(lǐng)域。但是它們的應(yīng)用多功能性現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到智能手機(jī)，它們?yōu)槲覀兲峁┝艘环N使用智能設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)交互的新方式。了解MEMS行為以及加速度計(jì)或陀螺儀的特性，設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)榇笈繎?yīng)用設(shè)計(jì)更高效、更低成本的產(chǎn)品。這些MEMS器件還使我們能夠創(chuàng)建新的應(yīng)用，這些應(yīng)用正在深刻改變我們的動(dòng)作、身體運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)如何影響我們的生活方式。

審核編輯：郭婷