加速度計和陀螺儀感測器：原理、檢測與應用

old2009

作者：Majid Dadafshar，Maxim Integrated現場應用工程技術團隊資深成員

微機電系統(MEMS)將機械和電子元件整合在微米級小型結構中。運用半導體與微製程技術，透過微機械加工將所有電子元件、感測器和機械元件整合至一片矽基板。MEMS系統的主要元件是機械單元、感測機制以及特定應用積體電路(ASIC)或微控制器。本文簡要介紹MEMS加速度計感測器和陀螺儀，並探討其工作原理、感測機制以及目前市場上多樣化的應用，以及對我們日常生活深遠的影響。


MEMS慣性感測器


MEMS感測器在許多應用裝置中沿一個或多個軸向測量線性加速度，或者環繞一個或多個軸的角速度作為輸入以控制系統(如圖1)。



MEMS加速度計感測器通常利用位置測量介面電路測量物體的位移，然後用類比數位轉換器(ADC)將測量值轉換為數位電子訊號，以便進行數位處理；陀螺儀則測量物體因為柯氏力加速(Coriolis acceleration)而產生的共振與位移。


加速度計工作原理


根據牛頓第二定律，物體加速度(m/s2)與受到的合力(N)成正比，與其質量(kg)成反比，而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機制擷取了作用力產生的加速度。所以加速度計實際測量的是力，而不是加速度；加速度計是藉由檢測施加在其中一個軸向的作用力來間接測量加速度。


加速度計也是一種包括孔、空腔、彈簧和通道等以微型製造加工的機電裝置。加速度計採用多層晶圓製程，以物體重心相對於固定電極的位移來測量加速力。


加速度計的檢測機制


加速度計常見的檢測方法是電容檢測，而加速度與物體運動產生的電容變化有關(如圖2)。這種檢測技術的優點是精準度高、穩定度高、功耗低、結構簡單，以及不容易受雜訊及溫度波動的影響。由於彈簧與以IC內的空氣作為阻尼器，電容式加速度計的頻寬只有幾百赫茲。



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




電容結構可以分為單側或差分對。圖3即以差分對加速度計為例來進行介紹。加速度計包含單個可移動物體其中一側表面，物體沿著彈簧方向放置，介於兩個固定的矽基板或電極(作為另一平面)之間。物體相對於固定電極(d1和d2)的運動(Motion x)很明顯地會使電容產生變化(C1和C2)。計算C2和C1的差值之後，可以得到物體重心的位移及其方向。

y04

這是現在很夯的，物聯網元件嗎?

a619willy

補充說明一下。智慧手機之所以smart，多靠了這些sensor感測了物理量，讓你的玩遊戲更有體感(G+Gsensor)，讓你GPS除了定位之外可以讓你分辨方向(e compass)，接電話時自動閉屏讓你不會誤觸(proximity sensor)，感測環境光線自動調整螢幕亮度(ALS)。