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感測器/MEMS  

加速度計和陀螺儀感測器:原理、檢測與應用

上網時間: 2014年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:加速度計  陀螺儀  MEMS  慣性感測器  加速度 

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)。

轉角運動與線性運動
圖1:轉角運動與線性運動

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

圖2:運動物體和電容
圖2:運動物體和電容。

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。

單向運動物體的相對加速度。
圖3:單向運動物體的相對加速度。

如公式1,由加速引起可移動物體的位移(微米)會使電容產生極微小的變化,而加速度計可精準地檢測到它。上述方法需要由多個可移動和固定電極並聯配置,這樣的配置不僅可產生更大的電容變化,還能提高檢測精準度,讓電容檢測技術更加可行。

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。如圖4所示,將多個電極並聯可獲得更大的電容變化,並且能更容易檢測到位移。V1和V2連接至電容的每一側,電容分壓器的中心連接到物體。

多向移動物體的相對加速度。
圖4:多向移動物體的相對加速度。

物體重心的類比電壓通過電荷放大、訊號調節、解調及低通濾波,然後由Σ-Δ ADC其轉換為數位訊號。將ADC輸出的數位序列化位元流送至FIFO暫存器,將序列訊號轉換為平行數據流程。如圖5,可先通過I2C或SPI等串列協定讀取數據流程,再將其送至主機做進一步處理。

加速度計電路。
圖5:加速度計電路。

Σ-Δ ADC雖然訊號頻寬較窄,但是因為解析度非常高,很適合加速度計應用。Σ-Δ ADC的輸出是由本身位元數決定,因此很容易轉換成‘g’(單位)並用於重力加速度計算。‘g’為重力加速度。

例如,10位元ADC的滿幅讀數為(2^10-1=1023,以3.3V為基準,如果X軸讀數為600,那麼我們即可利用下式得到X軸的電壓:


每個加速度計都具有對應至0克的0克電壓。我們首先計算相對於0加速度0g電壓的偏移,給定數據為1.65V:


為了進行最終轉換,我們將0.29V除以加速度計的靈敏度,數據給定為0.475V/g:


(下一頁繼續:多軸加速度計)


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