技術(shù)成熟的MEMS加速度計(jì)分為三種:壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計(jì)運(yùn)用的是壓電效應(yīng),在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊,有運(yùn)動的情況下質(zhì)量塊會產(chǎn)生壓力,剛體產(chǎn)生應(yīng)變,把加速度轉(zhuǎn)變成電信號輸出。
容感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊,從單個(gè)單元來看,它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積,通過測量電容變化量來計(jì)算加速度。Freescale的MMA7660FC這一款加速度計(jì)(3-Axis Orientation/Motion Detection Sensor),這一款芯片也是利用這一原理設(shè)計(jì)的。datasheet的第9頁介紹了其工作原理:當(dāng)芯片有向右的加速度時(shí),中間的活動質(zhì)量快相對于另外兩塊電容板向左移動,這兩平行板電容器的電容就發(fā)生了變化,從而測量出芯片運(yùn)動的加速度。
MEMS陀螺儀MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動時(shí)所受到的切向力。假設(shè)旋轉(zhuǎn)物體有徑向速度Vr,那么將會產(chǎn)生切向科里奧利加速度
從上面的公式中,我們可以看到科里奧利加速度的大小是正比于物體旋轉(zhuǎn)的角速度。如果我們在切向安裝一個(gè)加速度計(jì)測出科里奧利加速度,那么我們就可以間接得到物體旋轉(zhuǎn)的角速度。實(shí)際的MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)如下圖。如果物體在圓盤上沒有徑向運(yùn)動,科里奧利力就不會產(chǎn)生。因此,在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上,這個(gè)物體被驅(qū)動,不停地來回做徑向運(yùn)動或者震蕩,與此對應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化,并有可能使物體在橫向作微小震蕩,相位正好與驅(qū)動力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(有點(diǎn)象加速度計(jì)中的自測試模式),橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運(yùn)動帶來的電容變化(就象加速度計(jì)測量加速度)。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度,所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。
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原文標(biāo)題:加速度計(jì)和陀螺儀原理
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