加速度计和陀螺仪传感器:原理、检测及应用

摘要：微机电系统（MEMS）在消费电子领域的应用越来越普及，移动市场的增长也带动了MEMS需求的日益旺盛。实际上，MEMS传感器正在成为消费类和移动产品差异化的关键要素，例如游戏控制器、智能手机和平板电脑。MEMS为用户提供了与其智能设备交互的全新方式。本文简要介绍MEMS的工作原理、检测架构以及各种潜在应用。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247467.htm

关键词：MEMS；加速度计；陀螺仪；传感器

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.013

引言

微机电系统（MEMS）将机械和电子元件集成在微米级的小型结构中。利用微机械加工将所有电气器件、传感器和机械元件集成至一片共用的硅基片，从而由半导体和微加工技术组合而成。MEMS系统的主要元件是机械单元、检测电路以及ASIC或微控制器。本文简要介绍MEMS加速度计传感器和陀螺仪，讨论其工作原理、检测结构以及目前市场的热点应用，对我们日常生活具有深远的影响。

1 MEMS惯性传感器

MEMS传感器在许多应用中测量沿一个或多个轴向的线性加速度，或者环绕一个或多个轴的角速度，以作为输入控制系统（图1）。

MEMS加速度计传感器通常利用位置测量接口电路测量物体的位移，然后利用模/数转换器（ADC）将测量值转换为数字电信号，以便进行数字处理。陀螺仪则测量物体由于科里奥利加速度而发生的位移。

2 加速度计工作原理

根据牛顿第二定律，物理加速度（m/s2）与受到的合力（N）成正比，与其质量（kg）成反比，加速度方向与合力相同。

上述过程可简单归纳为：作用力导致物体发生位移，进而发生电容变化。将多个电极并联，可获得更大的电容变化，更容易检测到位移（图4）。V1和V2连接至电容的每侧，电容分压器的中心连接到物体。

物体重心的模拟电压通过电荷放大、信号调理、解调及低通滤波，然后利用Σ-Δ ADC将其转换为数字信号。将ADC输出的数字比特流送至FIFO缓存器，后者将串行信号转换为并行数据流。随后，可通过诸如I2C或จSPI等串行协议读取数据流，再将其送至主机做进一步处理（图5）。

Σ-Δ ADC具有信号带宽较窄，分辨率非常高，适合加速度计应用。Σ-Δ ADC输ท出由其位数决定，很容易转换成“g” （单位），用于加速度计算。“g”为重力加速度。

例如，10位ADC的满幅读数为（210 - 1=1023，以3.3V为基准，如果X轴读数为600，那么我们即可利用下式得出X轴的电压：

X电压 = （600 × 3.3）/1023 = 1.94V （3）

每个加速度都具有零点加速度对应的电压，该电压对应于0g。我们首先计算相对于零加速度0g电压的偏移（在数据资料中给出，假设为1.65V）：1.94V - 1.65V = 0.29V （4）

现在，为进行最终转换，我们将0.29V除以加速度计的灵敏度（在数据资料中给出，假设为0.475 V/g）：0.29V/0.475V/g = 0.6g （5）

4 多轴加速度计

下面，我们结合图3并以一个实际的加速度计为例进行讨论（图6）。

我们可清晰地将加速度计的每个元件与其力学模型关联起来。

将加速度计进行简单组装（90度，如图7所示），即可得到较精密应用所需的2轴加速度计。

有两种方法可构建两轴加速度计：将两个不同的单轴加速度计传感器互相垂直安装；使用单个质量块，利用电容传感器测量沿两个轴向的运动。

5 选择加速度计

为指定应用选择加速度计时，考虑以下关键特性非常重要：

1. 带宽 （Hz）：传感器的带宽表示加速度计能够响应的振动频率范围，或者能够获取可靠读数的频率。人类不可能产生超出10Hz-12Hz范围的运动。所以，对于检测倾斜或人体运动来说，40Hz至60Hz采样带宽足以满足要求。

2. 灵敏度 （mV/g或LSB/g）：灵敏度衡量最小可检测信号，或输入级每次变化时输出电信号的变化。与检测频率点相关。

3. 电压噪声密度（μg/SQRT Hz）：电压噪声随带宽的平方根倒数变化。我们读取加速度计的速度变化越快，得到的精度越差。工作在输出信号较小的较低g条件时，噪声对加速度计性能的影响较大。

4. 0g电压：该指标表示加速度为0g时预计输出电压的范围。

5. 频率响应（Hz）：以容限范围（±5%等）给出频率范围，在该频率范围内，传感器将检测运动并提供有效输出。规定的容限范围使用户能够计算器件在规定频率范围内的任何频率下相对于参考灵敏度的偏差。

6. 动态范围（g）：加速度计可测量的最小检测幅值与输出信号失真或削波之前最大幅值之间的范围。

6 加速度计与陀螺仪的比较

介绍MEMS应用之前，我们必须理解加速度计与陀螺仪之间的不同。加速度计测量沿一个或多个轴的线性加速度（单位为mV/g）；陀螺仪测量角速度（单位为mV/deg/s）。如果我们使加速度计进行旋转（例如俯仰）（图8），d1和d2的距离不发生变化。所以加速度计的输出不响应角速度变化。

我们可构建不同的传感器， ☹包含谐振传感器的内部框架通过弹簧连接至基片，与谐振运动成90度角（图9）。那么我们就可以通过检测内部框架和基片之间安装的电极电容，测量科里奥利加速度。

6 加速度计和陀螺仪应用ศ

加速度计很久以来被广泛用于汽车领域，用于检测汽车碰撞，或在正确的时间开启气囊。其在移动领域的应用也很普遍，例如肖像和风景模式之间切换、轻触切换至下首歌曲、设备放在口袋时通过衣服轻拍，或者防抖动拍摄及光学稳像。☼

8 光学稳像

人类手臂晃动的频率极低（10Hz至20Hz）。用最小、最轻的智能手机及照相机拍摄图片时，手会发生抖动，造成图像模糊。诸如光学缩放等特性加剧了这一问题，使图像更加模糊。

假设一部SVGA照相机的分辨率为800x600像素，视角为45度，传感器水平漂移为0.08度。45/800 = 0.056度，对应于1.42像素的模糊。随着照相机分辨率的提高，模糊覆盖更多像素，造成图像失真更严重。

基于陀螺仪的光学稳像（图11）及修正软件通过将机械陀螺仪的测量数据发送至微控制器及直线电机，以移动图像传感器，从而补偿图像模糊。

9 手势控制

我们可将MEMS加速度计传感器用于无线鼠标的手势控制、轮椅方向控制或Wii？控制台中的陀螺仪。其它例子还包括利用手势控制电视上光标的智能设备、“虚拟”旋钮，甚至利用手持式无线传感器单元控制外部设备的手势命令。

10 结论

MEMS加速度计传感器和陀螺仪长久以来已经广泛用于运输、太空、工业机器人及汽车领域。但其应用的多样性现在已经扩展至智能手机，为我们提供了与智能设备进行运动和手势交互的全新方式。理解MEMS行为以及加速度计或陀螺仪的特性，使设计者能够为大批量应用设计更高效和低成本产品。这些MEMS器件也允许我们创建新的应用，颠覆运动、身体活动及手势对我们日常生活的影响。