加速度計和陀螺儀傳感器：原理、檢測及應用

摘要：微機電系統（MEMS）在消費電子領域的應用越來越普及，移動市場的增長也帶動了MEMS需求的日益旺盛。實際上，MEMS傳感器正在成為消費類和移動產品差異化的關鍵要素，例如游戲控制器、智能手機和平板電腦。MEMS為用戶提供了與其智能設備交互的全新方式。本文簡要介紹MEMS的工作原理、檢測架構以及各種潛在應用。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247467.htm

關鍵詞：MEMS；加速度計；陀螺儀；傳感器

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.013

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。

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。

物體重心的模擬電壓通過電荷放大、信號調理、解調及低通濾波，然后利用Σ-Δ ADC將其轉換為數字信號。將ADC輸出的數字比特流送至FIFO緩存器，后者將串行信號轉換為并行數據流。隨后，可通過諸如I2C或SPI等串行協議讀取數據流，再將其送至主機做進一步處理（圖5）。

Σ-Δ ADC具有信號帶寬較窄，分辨率非常高，適合加速度計應用。Σ-Δ ADC輸出由其位數決定，很容易轉換成“g” （單位），用于加速度計算。“g”為重力加速度。

例如，10位ADC的滿幅讀數為（210 - 1=1023，以3.3V為基準，如果X軸讀數為600，那么我們即可利用下式得出X軸的電壓：

X電壓 = （600 × 3.3）/1023 = 1.94V （3）

每個加速度都具有零點加速度對應的電壓，該電壓對應于0g。我們首先計算相對于零加速度0g電壓的偏移（在數據資料中給出，假設為1.65V）：1.94V - 1.65V = 0.29V （4）

現在，為進行最終轉換，我們將0.29V除以加速度計的靈敏度（在數據資料中給出，假設為0.475 V/g）：0.29V/0.475V/g = 0.6g （5）

4 多軸加速度計

下面，我們結合圖3并以一個實際的加速度計為例進行討論（圖6）。

我們可清晰地將加速度計的每個元件與其力學模型關聯起來。

將加速度計進行簡單組裝（90度，如圖7所示），即可得到較精密應用所需的2軸加速度計。

有兩種方法可構建兩軸加速度計：將兩個不同的單軸加速度計傳感器互相垂直安裝；使用單個質量塊，利用電容傳感器測量沿兩個軸向的運動。

5 選擇加速度計

為指定應用選擇加速度計時，考慮以下關鍵特性非常重要：

1. 帶寬 （Hz）：傳感器的帶寬表示加速度計能夠響應的振動頻率范圍，或者能夠獲取可靠讀數的頻率。人類不可能產生超出10Hz-12Hz范圍的運動。所以，對于檢測傾斜或人體運動來說，40Hz至60Hz采樣帶寬足以滿足要求。

2. 靈敏度 （mV/g或LSB/g）：靈敏度衡量最小可檢測信號，或輸入級每次變化時輸出電信號的變化。與檢測頻率點相關。

3. 電壓噪聲密度（μg/SQRT Hz）：電壓噪聲隨帶寬的平方根倒數變化。我們讀取加速度計的速度變化越快，得到的精度越差。工作在輸出信號較小的較低g條件時，噪聲對加速度計性能的影響較大。

4. 0g電壓：該指標表示加速度為0g時預計輸出電壓的范圍。

5. 頻率響應（Hz）：以容限范圍（±5%等）給出頻率范圍，在該頻率范圍內，傳感器將檢測運動并提供有效輸出。規定的容限范圍使用戶能夠計算器件在規定頻率范圍內的任何頻率下相對于參考靈敏度的偏差。

6. 動態范圍（g）：加速度計可測量的最小檢測幅值與輸出信號失真或削波之前最大幅值之間的范圍。

6 加速度計與陀螺儀的比較

介紹MEMS應用之前，我們必須理解加速度計與陀螺儀之間的不同。加速度計測量沿一個或多個軸的線性加速度（單位為mV/g）；陀螺儀測量角速度（單位為mV/deg/s）。如果我們使加速度計進行旋轉（例如俯仰）（圖8），d1和d2的距離不發生變化。所以加速度計的輸出不響應角速度變化。

我們可構建不同的傳感器，包含諧振傳感器的內部框架通過彈簧連接至基片，與諧振運動成90度角（圖9）。那么我們就可以通過檢測內部框架和基片之間安裝的電極電容，測量科里奧利加速度。

6 加速度計和陀螺儀應用

加速度計很久以來被廣泛用于汽車領域，用于檢測汽車碰撞，或在正確的時間開啟氣囊。其在移動領域的應用也很普遍，例如肖像和風景模式之間切換、輕觸切換至下首歌曲、設備放在口袋時通過衣服輕拍，或者防抖動拍攝及光學穩像。

8 光學穩像

人類手臂晃動的頻率極低（10Hz至20Hz）。用最小、最輕的智能手機及照相機拍攝圖片時，手會發生抖動，造成圖像模糊。諸如光學縮放等特性加劇了這一問題，使圖像更加模糊。

假設一部SVGA照相機的分辨率為800x600像素，視角為45度，傳感器水平漂移為0.08度。45/800 = 0.056度，對應于1.42像素的模糊。隨著照相機分辨率的提高，模糊覆蓋更多像素，造成圖像失真更嚴重。

基于陀螺儀的光學穩像（圖11）及修正軟件通過將機械陀螺儀的測量數據發送至微控制器及直線電機，以移動圖像傳感器，從而補償圖像模糊。

9 手勢控制

我們可將MEMS加速度計傳感器用于無線鼠標的手勢控制、輪椅方向控制或Wii？控制臺中的陀螺儀。其它例子還包括利用手勢控制電視上光標的智能設備、“虛擬”旋鈕，甚至利用手持式無線傳感器單元控制外部設備的手勢命令。

10 結論

MEMS加速度計傳感器和陀螺儀長久以來已經廣泛用于運輸、太空、工業機器人及汽車領域。但其應用的多樣性現在已經擴展至智能手機，為我們提供了與智能設備進行運動和手勢交互的全新方式。理解MEMS行為以及加速度計或陀螺儀的特性，使設計者能夠為大批量應用設計更高效和低成本產品。這些MEMS器件也允許我們創建新的應用，顛覆運動、身體活動及手勢對我們日常生活的影響。