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陀螺仪感应器

陀螺仪感应器

编者?按: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。 ?
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?  引言

本文引用地址:htt﹣p?://www.eepw.com.c?n♂/art±icle/247467.htm

  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mol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㈱MEM?S∑≥加速度计传感器陀螺仪,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1器∷在许多应用中测量沿一个或多个μ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)。

  M?EMS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=㎝。

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  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m度方向与合力≈相同。

⊙ ㏑ 值得∵注意的是,加速度计的作@用力㏒检?测单元捕获产生加℡速的力。¥所以,?加速度?计?实际·测量的是力,而﹥不?是加﹢速3度?;基?本上是通过测量施加?在加?速度计其中一个?轴向的作用力间?接测量加速度。

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  加速度计也是一种机电?装置,包括孔、空腔、弹簧和管道,机械∧加工采用微⊥加÷工技术∈?。加速度计采?用多层£晶圆工艺¤,?通过≦检测物体重心相对于固定电极的位″移测3量加速力。

  3﹤ 加∥速度计的检?测单元

  加速$度计常见的检测方法是?电容检测,其中加速度与?运动产生的电容变化相关(图2)。这种检*测技术的优点是高精度?、※高稳定度‰、??低功耗,以及陀螺仪感应器结构简单,不容易受噪声及温度波动的㎜影响。 ?由于电№容式加速度计的㎏物?理﹣结构(弹簧)?以及oIC内的空气?作为阻尼器,其带宽只有几?百赫兹。

∶?  ε0 =自由?空间㎡的介?电常?数

  ε?r = 电极板之间的材料的相对介电常数

  ?A =′ 电极板之间的重叠*面积

  D = ∞电极板之间的距¢离

  电容结构可以为?单侧或差分对¥。我们以差分对加速度计为例进行介绍(图3?)。加速?度?计包括单个可移动≯物体(一个表?/面),物体?沿?着弹﹢簧方向?放∫置,介于2两个固定的硅?基片或电极(另一平面)之间℃。显?而易见,物?体相对于固定电极⊿(d1和d2)运动(Moti?on x),造成电?容发生变化(C1和§C2)。通£过计算C?2和C?1之?≤差,得出物体重?心的位移及其方向。

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  可移动≌物体的位移(微米)是由于加速引起的,造成电容发生极?其微小的变化,可正确检测到这<一?变化(式1)?。这种方式需要使用多个可移动和固定电极,采用并联配置;可产生更大的电容?变∠?化,提高检测精度,并最终使电容检测㎎技术更加可行。

  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ml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。

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