MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用原理是什么？具體介紹

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度計(jì)就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計(jì)具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。加速度計(jì)是一種慣性傳感器，能夠測(cè)量物體的加速力。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。

加速度計(jì)是一種能夠測(cè)量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過(guò)程中，通過(guò)對(duì)質(zhì)量塊所受慣性力的測(cè)量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。結(jié)構(gòu)包括由硅膜片、上蓋、下蓋，膜片處于上蓋、下蓋之間，鍵合在一起。一維或二維納米材料、金電極和引線分布在膜片上，并采用壓焊工藝引出導(dǎo)線。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見(jiàn)的加速度傳感器包括電容式、壓阻式、壓電式等。

電容式MEMS加速度計(jì)原理類似于一個(gè)質(zhì)量塊兩端通過(guò)彈簧進(jìn)行固定。在沒(méi)有加速度的情況下，彈簧不會(huì)發(fā)生形變，質(zhì)量塊靜止。當(dāng)產(chǎn)生加速度時(shí)，彈簧發(fā)生形變，質(zhì)量塊的位置會(huì)發(fā)生變化。 彈簧的形變量隨著加速度的增大而增大。在彈簧的勁度系統(tǒng) k 和質(zhì)量塊的質(zhì)量 m已知的情況下，只要測(cè)量出彈簧的形變量，就可以求出系統(tǒng)的加速度。

在G-sensor內(nèi)部有 finger sets, 用來(lái)測(cè)量產(chǎn)生加速度讀時(shí)質(zhì)量塊的位移。 每一個(gè)finger set 相當(dāng)兩個(gè)電容極板， 當(dāng)有加速度時(shí)質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而位移的變化會(huì)導(dǎo)致差分電容的變化。

具體的差分電容檢測(cè)和計(jì)算加速度過(guò)程由G-sensor內(nèi)部完成，我們只需要直接讀取其轉(zhuǎn)化后的值即可。G-sensor輸出值也不是直接的加速度值，它的計(jì)量單位是通常用g表示，1g代表一個(gè)重力加速度，即9.8m/s^2。1g=1000mg。

這里用一個(gè)例子再次強(qiáng)調(diào)一下G-sensor的輸出值是根據(jù)其內(nèi)部質(zhì)量塊的位移計(jì)算得出的：

將G-sensor的Z軸垂直向地，靜止放置在水平桌面上，此時(shí)G-sensor芯片是靜止的，雖然芯片整體加速度為0g，但是讀取其輸出值，X/Y軸輸出為0g，Z軸輸出為1g。因?yàn)閮?nèi)部質(zhì)量塊在重力加速度的作用下，產(chǎn)生了位移。

壓阻式加速度傳感器的原理是，半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用，會(huì)產(chǎn)生肉 眼察覺(jué)不到的極微小應(yīng)變，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子 能級(jí)狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈的變化， 由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理 效應(yīng)叫壓阻效應(yīng)。它較之傳統(tǒng)的膜合電位計(jì)式、力 平衡式、變電感式、變電容式、金屬應(yīng)變片式及半導(dǎo) 體應(yīng)變片式傳感器技術(shù)上先進(jìn)得多。

從20世紀(jì)80 年代中期以后，在美、日、歐傳感器市場(chǎng)上，它已是壓力傳感器中占據(jù)主流的品種，并與壓電式幾乎平分 了加速度傳感器的國(guó)際市場(chǎng)。目前,在以大規(guī)模集 成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)介人為特色的智能傳 感器技術(shù)中，由于它能做成單片式多功能復(fù)合敏感 元件來(lái)構(gòu)成智能傳感器的基礎(chǔ)，因而備受矚目a壓阻式傳感器由一個(gè)振動(dòng)片和4個(gè)用微機(jī)械技 術(shù)處理形成的褶曲部分組成，4個(gè)支架中的每一個(gè) 都含有2個(gè)移植的電阻，它們互相連接形成一個(gè)惠 斯登電橋，當(dāng)它承受一個(gè)加速度時(shí)，這個(gè)片將上下移 動(dòng)，導(dǎo)致4個(gè)電阻值增加，其它的4個(gè)減少，這樣就 形成了一個(gè)與電源電壓成比例的電壓變化。這8個(gè) 電阻如果互相聯(lián)接，將會(huì)使任何偏離軸線的加速度的影響無(wú)效。硅的頂部和底部的帽與容納振動(dòng)片和 支架的部分相連，硅帽有幾個(gè)用途，精密的缺口蝕刻 在帽上提供了空氣緩沖，消除結(jié)構(gòu)的共振峰值。因 為這個(gè)部分被緩沖，到幾kHz的頻率響應(yīng)是呈水平 趨勢(shì)，受溫度影響較小。

結(jié)構(gòu)中的頂帽用來(lái)在沒(méi)有加速度時(shí)檢測(cè)加速度 計(jì)，實(shí)現(xiàn)自檢功能。當(dāng)提供給硅頂帽金屬極一個(gè)電 壓時(shí)，靜電力驅(qū)使振動(dòng)片朝頂帽移動(dòng)。這導(dǎo)致了一 個(gè)與靈敏度和應(yīng)用電壓的平方成比例的輸出電壓變 化，這樣為應(yīng)用一個(gè)外部電壓產(chǎn)生一個(gè)加速度和檢 測(cè)機(jī)械和電子結(jié)構(gòu)的性能提供了可能。

壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號(hào)不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測(cè)量傳感器(?)。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，商業(yè)化使用歷史也很長(zhǎng)，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場(chǎng)上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。與壓阻和電容式相比，其最大的缺點(diǎn)是壓電式加速度傳感器不能測(cè)量零頻率的信號(hào)。使用壓電加速度計(jì)時(shí)，所用放大器低頻截止頻率多為2-5Hz，目的是以此來(lái)剔除許多壓電傳感器的熱釋電輸出。