MEMS陀螺仪和加速度计为广泛应用带来更酷的新功能
在ADI公司的一间会议室中，Howard Wisniowski用一只手拿起比纪念邮票稍大一点的演示板，并停留在离桌面一米左右的空中。这块演示板上安装有ADI的运动传感器和相关电路。Wisniowski松开拿着这块演示板的手，使演示板落向另外一只手。
演示板刚开始自由下落，运动传感器就感测到了加速度的变化。在演示板落到Wisniowski的另一只手中之前，板子上的红色LED开始闪烁，与此同时微型变换器发出摩尔斯电码格式的SOS信号声。这种重定向到水平面的响应速度，正是消费者期望笔记本硬盘磁头组件或汽车气囊传感器所应有的性能。
适合采用CMOS工艺流程的微机电系统(MEMS)制造技术可能带来的规模经济、高灵敏度和小型尺寸能开创许多新的应用，而这只是其中的两种。
MEMS加速度计和陀螺仪的工作原理
MEMS加速度计的核心，一部分位于电子电路中，一部分在于机械结构中。经过制造和封装的加速度计可以用来测量单个平面或两个/三个正交平面中的加速度。从概念上讲，加速度传感部分通常包含位于悬梁一端的"运动块"。
对处于加速状态的多个运动块和横梁系统进行偏转测量，一般是通过传感位于一组固定横梁和一组偏转横梁之间的电容变化完成的，有点类似于宏观的可变电容。由于许多容性传感器具有相对位移非线性的电容特性，因此要用传感器中的电子将信号转换为线性输出。除了电容外，也可以使用压电型传感元件。
在加速度计数据手册中标明的一些重要特征参数包括带宽和谐振频率、本底噪声、交叉轴灵敏度、漂移、线性度、动态范围、抗冲击能力和功耗。一般来说，谐振频率要比带宽上限高好几倍。带宽和灵敏度通常呈反比关系。
除了电子器件通常都有的噪声源外，由于MEMS传感器非常小，由运动块上的布朗效应产生的热噪声也是一个显著的噪声源。
线性加速度计在运输领域、特别是与气囊有关的减速传感应用领域有很大的市场。磁盘中的MEMS角加速度计同样具有很大的市场，它们可以用来补偿角度方面的冲击和振动。与线性产品不同，这些器件位于支撑弹簧重心处的重力中心，因此对角加速度非常敏感。
加速度、振动、冲击和倾斜与线性速率的运动有关。旋转是一种角速率运动。这种运动模式与其它模式有所不同，因为旋转发生时加速度可能没有变化。为理解其工作原理，请参考三轴惯性传感器图。
这个传感器的X和Y轴平行于地球表面，Z轴指向地球中心。在这个位置，Z轴的测量值是1g，X和Y轴记录的是0g。旋转这个传感器，使其只在Z轴移动，X和Y平面只是旋转，因此测得的数据仍是0g，而Z轴的测量值仍是1g。
这正是用MEMS陀螺仪传感这种旋转运动的原因。因为某些最终产品除了测量其它运动方式外必须测量旋转，陀螺仪可以集成在嵌入有多轴陀螺仪和多轴加速度计的惯性测量单元(IMU)中。
加速度计测量的是一个平面上的位移和振动，而MEMS陀螺仪可以测量由科里奥利力引起的位移。虽然科里奥利力与浴缸下水道流出的水无关，但在比飓风规模小的物体上确实能起作用，它在每个科学博物馆似乎都有的傅科摆这种大小适中、但远非微型的物体上得到了成功演示。
假设读者都记得傅科摆与地球的旋转有某种关系，这里仅作简要的解释。假设你有一个振动着的质量颗粒(钟摆球)，它以v0 cos(0t)的谐振速度在移动，而这个速度固定为大小是0in的身体(地球)旋转速度。科里奥利效应将产生随时间变化的加速度，其频率与驱动加速度相同，但与质量颗粒的速度向量呈直角。也就是说，科里奥利加速度是一个向量积，即a(t) = [ 2Oin × v0] cos(Ot)。
现在让我们展开想象，将巨大的傅科摆换成是振动着的音叉，你可以得到一个类似的结果(图1)。音叉的正常振动模式是在一个平面中，科里奥利效应引起的位移处于另一个与之正交的平面中 。将音叉缩小到MEMS尺寸，用外部信号驱动音叉，三个轴分别使用三个独立的音叉，你就能理解三轴MEMS加速度计的基本概念。
当然，上述"基本概念"忽略了实际制造器件、从一个轴到另一个轴的交叉耦合振动、校准、热问题等等带来的挑战。我们无需使振动元件看起来像钢琴调音工具。想象一下你用一个像喇叭口或酒杯那样振动的环形结构能做的事情(图2)。目前为止在MEMS结构方面已经有大量专利，并且有许多聪明的方法能够利用半导体工艺流程来制造这些器件。
演示板刚开始自由下落，运动传感器就感测到了加速度的变化。在演示板落到Wisniowski的另一只手中之前，板子上的红色LED开始闪烁，与此同时微型变换器发出摩尔斯电码格式的SOS信号声。这种重定向到水平面的响应速度，正是消费者期望笔记本硬盘磁头组件或汽车气囊传感器所应有的性能。
适合采用CMOS工艺流程的微机电系统(MEMS)制造技术可能带来的规模经济、高灵敏度和小型尺寸能开创许多新的应用，而这只是其中的两种。
MEMS加速度计和陀螺仪的工作原理
MEMS加速度计的核心，一部分位于电子电路中，一部分在于机械结构中。经过制造和封装的加速度计可以用来测量单个平面或两个/三个正交平面中的加速度。从概念上讲，加速度传感部分通常包含位于悬梁一端的"运动块"。
对处于加速状态的多个运动块和横梁系统进行偏转测量，一般是通过传感位于一组固定横梁和一组偏转横梁之间的电容变化完成的，有点类似于宏观的可变电容。由于许多容性传感器具有相对位移非线性的电容特性，因此要用传感器中的电子将信号转换为线性输出。除了电容外，也可以使用压电型传感元件。
在加速度计数据手册中标明的一些重要特征参数包括带宽和谐振频率、本底噪声、交叉轴灵敏度、漂移、线性度、动态范围、抗冲击能力和功耗。一般来说，谐振频率要比带宽上限高好几倍。带宽和灵敏度通常呈反比关系。
除了电子器件通常都有的噪声源外，由于MEMS传感器非常小，由运动块上的布朗效应产生的热噪声也是一个显著的噪声源。
线性加速度计在运输领域、特别是与气囊有关的减速传感应用领域有很大的市场。磁盘中的MEMS角加速度计同样具有很大的市场，它们可以用来补偿角度方面的冲击和振动。与线性产品不同，这些器件位于支撑弹簧重心处的重力中心，因此对角加速度非常敏感。
加速度、振动、冲击和倾斜与线性速率的运动有关。旋转是一种角速率运动。这种运动模式与其它模式有所不同，因为旋转发生时加速度可能没有变化。为理解其工作原理，请参考三轴惯性传感器图。
这个传感器的X和Y轴平行于地球表面，Z轴指向地球中心。在这个位置，Z轴的测量值是1g，X和Y轴记录的是0g。旋转这个传感器，使其只在Z轴移动，X和Y平面只是旋转，因此测得的数据仍是0g，而Z轴的测量值仍是1g。
这正是用MEMS陀螺仪传感这种旋转运动的原因。因为某些最终产品除了测量其它运动方式外必须测量旋转，陀螺仪可以集成在嵌入有多轴陀螺仪和多轴加速度计的惯性测量单元(IMU)中。
加速度计测量的是一个平面上的位移和振动，而MEMS陀螺仪可以测量由科里奥利力引起的位移。虽然科里奥利力与浴缸下水道流出的水无关，但在比飓风规模小的物体上确实能起作用，它在每个科学博物馆似乎都有的傅科摆这种大小适中、但远非微型的物体上得到了成功演示。
假设读者都记得傅科摆与地球的旋转有某种关系，这里仅作简要的解释。假设你有一个振动着的质量颗粒(钟摆球)，它以v0 cos(0t)的谐振速度在移动，而这个速度固定为大小是0in的身体(地球)旋转速度。科里奥利效应将产生随时间变化的加速度，其频率与驱动加速度相同，但与质量颗粒的速度向量呈直角。也就是说，科里奥利加速度是一个向量积，即a(t) = [ 2Oin × v0] cos(Ot)。
现在让我们展开想象，将巨大的傅科摆换成是振动着的音叉，你可以得到一个类似的结果(图1)。音叉的正常振动模式是在一个平面中，科里奥利效应引起的位移处于另一个与之正交的平面中 。将音叉缩小到MEMS尺寸，用外部信号驱动音叉，三个轴分别使用三个独立的音叉，你就能理解三轴MEMS加速度计的基本概念。
当然，上述"基本概念"忽略了实际制造器件、从一个轴到另一个轴的交叉耦合振动、校准、热问题等等带来的挑战。我们无需使振动元件看起来像钢琴调音工具。想象一下你用一个像喇叭口或酒杯那样振动的环形结构能做的事情(图2)。目前为止在MEMS结构方面已经有大量专利，并且有许多聪明的方法能够利用半导体工艺流程来制造这些器件。
文章出处：电子系统设计
