加速度计和陀螺仪传感器：操作、传感和应用

消费电子产品中的微机电系统（MEMS）每年都在增长，移动市场的需求也在增加，这主导了这项新兴技术的增长。事实上，MEMS传感器正在成为为游戏机、智能手机和平板电脑等消费和移动市场设计差异化产品的关键要素。MEMS为用户提供了一种与智能设备接口的新方式。本文概述了MEMS：其工作原理，传感机制以及各种潜在应用。

微机电系统（MEMS）将机械和电气组件组合成微米级的小型结构。它们由半导体和微细加工技术的组合形成，使用微机械加工将所有电子、传感器和机械元件集成到一个共同的硅基板上。任何MEMS系统中的主要组件都是机械元件、传感机制以及ASIC或微控制器。本文概述了MEMS加速度计传感器和陀螺仪。我们讨论了它们的工作原理、传感机制、它们日益多样化的应用，以及它们已经对我们日常生活产生的深远影响。

MEMS作为惯性传感器

MEMS 传感器在测量沿一个或多个轴的线性加速度或围绕一个或多个轴的角运动作为控制系统的输入方面有许多应用（图 1）。

图1.角运动与线性运动。

所有MEMS加速度计传感器通常使用位置测量接口电路测量质量的位移。然后，该测量值通过模数转换器（ADC）转换为数字电信号，以进行数字处理。然而，陀螺仪测量共振质量的位移及其框架，因为科里奥利加速度。

加速度计基本操作

牛顿第二运动定律说加速度（m/s2）与作用在物体上的净力（牛顿）成正比，并且方向相同，并且与其质量（克）成反比。

加速度 = 力 （牛顿） （米/秒）
2） 质量（克）

重要的是要注意，加速度会产生由加速度计的力检测机制捕获的力。因此，加速度计真正测量的是力，而不是加速度;它基本上通过施加在加速度计轴之一上的力间接测量加速度。

加速度计也是一种机电设备，包括孔、空腔、弹簧和通道，使用微细加工技术进行加工。加速度计采用多层晶圆工艺制造，通过检测质量相对于固定电极的位移来测量加速度。

加速度计的传感机制

加速度计中常用的检测方法是电容检测，其中加速度与移动质量的电容变化有关（图 2）。这种传感技术以其高精度、稳定性、低功耗和简单的结构而闻名。它不易产生噪音和随温度变化。电容式加速度计的带宽只有几百赫兹，因为它们的物理几何形状（弹簧）和被困在IC内部的空气充当阻尼器。

C = （ε0× εr× A）/D（法拉）

ε0= 允许的可用空间
εr= 板之间允许的相对材料
A = 电极之间的重叠面积
D = 电极之间的间隔

图2.移动质量和电容。

电容可以布置为单侧或差分对。让我们看一下排列为差分对的加速度计（图 3）。它由单个可移动质量（一个平面）组成，该质量与机械弹簧一起放置在两个固定的参考硅基板或电极（另一个平面）之间。很明显，质量的运动（运动x）是相对于固定电极（d1和d2）的，并导致电容（C1和C2）的变化。通过计算C2和C1之间的差异，我们可以得出质量的位移及其方向。

图3.与单个移动质量相关的加速度。

可移动质量（微米）的位移是由加速度引起的，它会产生极小的电容变化，以便正确检测（公式1）。这要求使用多个可移动和固定电极，所有电极都以并联配置连接。该配置可实现更大的电容变化，既可以更准确地检测，又最终使电容检测成为一种更可行的技术。

让我们快速总结一下。力会导致质量位移，进而引起电容变化。现在，并联放置多个电极可以实现更大的电容，这将更容易被检测到（图 4）。V1 和 V2 是电容器两侧的电气连接，形成一个分压器，中心点作为我们质量的电压。

图4.与多个移动质量相关的加速度。

模拟质量电压将经过电荷放大、信号调理、解调和低通滤波，然后使用Σ-Δ ADC转换为数字域。然后，来自ADC的串行数字位流被传递到FIFO缓冲器，该缓冲器将串行信号转换为并行数据流。然后可以使用串行协议（如 I）转换该并行数据流2C 或 SPI，然后再发送到主机进行进一步处理（图 5）。

图5.加速度计的电路。

Σ-Δ型ADC具有低信号带宽和高分辨率，非常适合加速度计应用。Σ-Δ ADC的输出值由位数定义，因此可以非常轻松地转换为加速度计应用的“g”单位。“g”是等于地球在海平面重力的加速度单位：

例如，如果我们的 10 位 ADC 的 X 轴读数等于可用 1023 （210- 1 = 1023），以3.3V为基准，我们可以使用以下公式得出“g”中指定的X轴的电压：

X - 电压 = （600 × 3.3）/1023 = 1.94V

每个加速度计都有一个零g电压电平，即对应于0g的电压。我们首先计算零g电压（数据手册中指定，假设为1.65V）的电压偏移：

1.94V - 1.65V = 0.29V

现在，为了进行最终转换，我们将0.29V除以加速度计的灵敏度（在数据手册中指定，假设为0.475V/g）：

0.29V/0.475V/g = 0.6g

多轴加速度计

让我们再看一下图3，并添加一个实际制造的加速度计（图6）。现在，我们可以清楚地将加速度计的每个组件与其机械模型相关联。

图6.实际加速度计的机械模型。

通过简单地以不同的方式安装加速度计（90度，如图7所示），我们可以创建一个更复杂的应用所需的2轴加速度计。

图7.2 轴加速度计。

构建两轴加速度计有两种方法：将两个不同的单轴加速度计传感器垂直布置，或者使用单个质量与电容传感器一起布置来测量沿两个轴的运动。

选择加速度计

在为给定应用选择加速度计时，重要的是要考虑其一些关键特性：

带宽（Hz）：传感器的带宽表示加速度计响应的振动频率范围或获取可靠读数的频率。人类不能创造超出 10Hz 到 12Hz 范围的身体运动。因此，40Hz至60Hz的带宽足以感测倾斜或人体运动。

灵敏度（mV/g 或 LSB/g）：灵敏度是最小可检测信号或输出电信号随输入机械变化而变化的量度。这仅在一个频率下有效。

电压噪声密度（μg/SQRT Hz）：电压噪声随带宽的平方根反比而变化。我们读取加速度计变化的速度越快，我们得到的精度就越差。当在较低g条件下工作且输出信号较小时，噪声对加速度计的性能有较大影响。

零g电压：该术语指定在0g加速度下输出端可以预期的电压范围。

频率响应（Hz）：这是用公差带（±5%等）指定的频率范围，传感器将检测运动并报告真实输出。指定的频带容差允许用户计算器件在其指定频率范围内的任何频率下与基准灵敏度的偏差程度。

动态范围（g）：这是加速度计在失真或削波输出信号之前可以测量的最小可检测幅度与最大幅度之间的范围。

加速度计与陀螺仪

在描述一些MEMS应用之前，我们必须了解加速度计和陀螺仪之间的区别。加速度计测量沿一个或多个轴的线性加速度（以 mV/g 为单位）。陀螺仪测量角速度（以 mV/deg/s 为单位）。如果我们拿起加速度计并对其施加旋转（即滚动）（图 8），则距离 d1 和 d2 不会改变。因此，加速度计的输出不会响应角速度的变化。

图8.加速度计对旋转的免疫力。

我们可以以不同的方式构建传感器，因此包含共振质量的内部框架通过弹簧相对于共振运动成 90 度连接到基板（图 9）。然后，我们可以通过安装在内框和基板之间的电极上的电容感应来测量科里奥利加速度。

图9.相对于移动质量的内部和基板表示。

加速度计和陀螺仪应用

加速度计在汽车中已经使用了很长时间，用于检测车祸并在适当的时候触发安全气囊。它们在移动设备中有许多应用，例如在纵向和横向模式之间切换，点击手势以切换到下一首歌曲，当设备放在口袋中时点击衣服，或防模糊捕获和光学图像稳定。

室内导航

加速度是速度的变化率

α = δv/δ t = δ2X/δt2

我们可以分别通过单积分或双积分从加速度输出中推导出速度和距离信息。通过添加陀螺仪提供的测量值，我们可以使用一种特殊技术来跟踪物体相对于已知起点的位置和方向。此信息用于室内导航，无需外部参考或 GPS 信号。

光学图像稳定

人的手以非常低的频率（10Hz至20Hz）颤抖。使用我们最新的小巧轻便的智能手机和相机拍照时，我们会产生抖动，使图像模糊。光学变焦等功能加剧了这个问题，并产生了更多的模糊。

当使用具有 800x600 像素分辨率的 SVGA 相机以获得 45 度视角时，请考虑水平漂移为 0.08 度的传感器。45/800 = 0.056 度，对应于 1.42 像素模糊。随着相机分辨率的提高，模糊会覆盖更多的像素并导致更多的图像失真。

带有校正软件的基于陀螺仪的光学图像稳定可以通过将机械陀螺仪的测量数据发送到微控制器和线性电机以移动图像传感器来补偿图像模糊。

基于手势的控制

我们可以使用MEMS加速度计传感器对无线鼠标进行基于手势的控制，或轮椅方向控制，或Wii控制台中的陀螺仪。其他例子包括使用手势控制电视上的光标的智能设备，或“虚拟”旋钮，甚至是手势命令来控制带有手持无线传感器单元的外部设备。®

结论

MEMS加速度计传感器和陀螺仪长期以来一直广泛用于船舶、航天、工业机器人和汽车等领域。但是它们的应用多功能性现在已经扩展到智能手机，它们为我们提供了一种使用智能设备进行运动和手势交互的新方式。了解MEMS行为以及加速度计或陀螺仪的特性，设计人员能够为大批量应用设计更高效、更低成本的产品。这些MEMS器件还使我们能够创建新的应用，这些应用正在深刻改变我们的动作、身体运动和手势如何影响我们的生活方式。

审核编辑：郭婷