微机电系统 (MEMS) 操作

文章出处：新闻资讯责任编辑：深圳市广陵达科技有限公司发表时间：2024-10-09 15:02:37

在微机电系统 (MEMS) 技术出现之前，惯性传感器都是高成本的精密仪器，通常用于高端应用。随着 MEMS 技术的成熟，低成本固态芯片级惯性传感器已成为大型高端惯性传感器的替代品。 MEMS 进入惯性传感市场，提供了广泛的性能能力，并使惯性传感技术能够比以往应用于更多的应用。

MEMS 加速度计

加速度计是负责测量惯性加速度或速度随时间变化的主要传感器，有多种不同类型，包括机械加速度计、石英加速度计和 MEMS 加速度计。 MEMS 加速度计本质上是一个由弹簧悬挂的质量块，如图 1.6a 所示。该质量称为检验质量，允许质量移动的方向称为灵敏度轴。

当加速度计沿灵敏度轴受到线性加速度时，加速度会导致质量块向一侧移动，偏转量与加速度成正比。

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(a) 水平 (b) 垂直

图：1.6 简单的加速度计模型

现在考虑旋转加速度计，使灵敏度轴与重力矢量对齐，如图 1.6b 所示。在这种情况下，重力作用在检验质量上，导致其向下偏转。因此，加速度计可以测量运动引起的线性加速度以及重力引起的伪加速度。由重力引起的加速度被称为伪加速度，因为它实际上不会导致速度或位置的变化。

在图 1.6b 所示的坐标系中，重力引起的伪加速度测量为 -1 g，因为重力对加速度计的影响与负 z 轴运动产生的加速度相同。还需要注意的是，在自由落体过程中，加速度计中的弹簧不会偏转，因此传感器报告的加速度为零，但实际加速度不为零。

陀螺仪是一种惯性传感器，用于测量物体相对于惯性参考系的角速率。 MEMS 陀螺仪通过应用科里奥利效应理论来测量角速率，科里奥利效应是指作用于相对于旋转框架运动的物体的惯性力。为了更好地理解，请考虑悬挂在弹簧上的质量，如图 1.7a 所示。该质量在 x 轴上具有驱动力，导致其在 x 轴上快速振荡。当以角速度运动时， ω，围绕 z 轴应用。这导致质量体在 y 轴上受到科里奥利力的作用，并且由此产生的位移由电容传感结构测量。

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(a) 单一质量 (b) 音叉配置

图：1.7 简单陀螺仪模型

对该科里奥利力的快速推导可以提供进一步的清晰度。质量块的位置，米，在主体框架中由方程给出1:

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然后，身体框架中质量的惯性速度被定义为位置加上旋转引起的切向速度的导数。

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身体框架中质量的惯性加速度可以描述为速度加上旋转引起的切向加速度的导数。

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方程中的第一个元素3表示驱动轴所经历的加速度，该加速度由陀螺仪电子设备主动控制。方程中的第二个元素3表示来自陀螺仪传感轴的加速度。根据牛顿第二运动定律，感应方向上的力的总和等于块质量的乘积，m，以及感应方向的加速度，r¡y:

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出于说明目的，如果质量从 y 轴上的静止开始（y=y˙=y¡= 0)，y 轴上的力的总和减少到只有科里奥利项，Fy= 2 m ωx˙。由于质量在 x 轴上以高频（10 kHz）驱动，因此x˙是显着的，并且科里奥利效应会导致 y 轴上与角速率成比例的显着振荡位移。

通常，MEMS 陀螺仪使用音叉配置，其中两个质量块通过弹簧连接，如图 1.7b 所示。当施加角速率时，每个质量上的科里奥利力沿相反方向作用，并且由此产生的电容变化与角速度成正比。然而，当施加线性加速度时，两个质量块沿相同方向移动，导致电容没有变化并且测量的角速率为零。这种配置最大限度地降低了陀螺仪对冲击、振动和倾斜等线性加速度的敏感度。

MEMS 磁力计

磁力计是一种测量磁场强度和方向的传感器。虽然磁力计有许多不同类型，但大多数 MEMS 磁力计依靠磁阻来测量周围磁场。磁阻磁力计由坡莫合金组成，其电阻会因磁场的变化而变化。通常，MEMS 磁力计用于测量局部磁场，该磁场由地球磁场以及附近物体产生的任何磁场组合而成。

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(a) 标准偶极磁铁 (b) 地球磁场

图：1.8 地球磁场的偶极子近似

如图 1.8 所示，地球磁场是一个自我维持的磁场，类似于磁偶极子，地磁极稍微偏离地理北极和南极。该磁场的特征是其强度和方向在地球上各不相同，并且会随着时间的推移而变化。

地球磁场的方向包含水平分量和垂直分量，并且通常使用磁倾角和磁偏角来描述。磁倾角描述了地球磁场线与水平面之间的角度。在地球磁极处，磁场是垂直的，倾角为90°，而地球磁场在赤道处是水平的，倾角为0°。磁偏角用于解释地球的磁北极与真北或地球的地理北极不在同一位置的事实，并且被表征为这两个位置之间相对于点的角度的测量。