消費電子產品中的微機電系統（MEMS）每年都在增長，移動市場的需求也在增加，這主導了這項新興技術的增長。事實上，MEMS傳感器正在成為為游戲機、智能手機和平板電腦等消費和移動市場設計差異化產品的關鍵要素。MEMS為用戶提供了一種與智能設備接口的新方式。本文概述了MEMS：其工作原理，傳感機制以及各種潛在應用。

微機電系統（MEMS）將機械和電氣組件組合成微米級的小型結構。它們由半導體和微細加工技術的組合形成，使用微機械加工將所有電子、傳感器和機械元件集成到一個共同的硅基板上。任何MEMS系統中的主要組件都是機械元件、傳感機制以及ASIC或微控制器。本文概述了MEMS加速度計傳感器和陀螺儀。我們討論了它們的工作原理、傳感機制、它們日益多樣化的應用，以及它們已經對我們日常生活產生的深遠影響。

MEMS作為慣性傳感器

MEMS 傳感器在測量沿一個或多個軸的線性加速度或圍繞一個或多個軸的角運動作為控制系統的輸入方面有許多應用（圖 1）。

圖1.角運動與線性運動。

所有MEMS加速度計傳感器通常使用位置測量接口電路測量質量的位移。然后，該測量值通過模數轉換器（ADC）轉換為數字電信號，以進行數字處理。然而，陀螺儀測量共振質量的位移及其框架，因為科里奧利加速度。

加速度計基本操作

牛頓第二運動定律說加速度（m/s2）與作用在物體上的凈力（牛頓）成正比，并且方向相同，并且與其質量（克）成反比。

加速度 = 力 （牛頓） （米/秒）
2） 質量（克）

重要的是要注意，加速度會產生由加速度計的力檢測機制捕獲的力。因此，加速度計真正測量的是力，而不是加速度;它基本上通過施加在加速度計軸之一上的力間接測量加速度。

加速度計也是一種機電設備，包括孔、空腔、彈簧和通道，使用微細加工技術進行加工。加速度計采用多層晶圓工藝制造，通過檢測質量相對于固定電極的位移來測量加速度。

加速度計的傳感機制

加速度計中常用的檢測方法是電容檢測，其中加速度與移動質量的電容變化有關（圖 2）。這種傳感技術以其高精度、穩定性、低功耗和簡單的結構而聞名。它不易產生噪音和隨溫度變化。電容式加速度計的帶寬只有幾百赫茲，因為它們的物理幾何形狀（彈簧）和被困在IC內部的空氣充當阻尼器。

C = （ε0× εr× A）/D（法拉）

ε0= 允許的可用空間
εr= 板之間允許的相對材料
A = 電極之間的重疊面積
D = 電極之間的間隔

圖2.移動質量和電容。

電容可以布置為單側或差分對。讓我們看一下排列為差分對的加速度計（圖 3）。它由單個可移動質量（一個平面）組成，該質量與機械彈簧一起放置在兩個固定的參考硅基板或電極（另一個平面）之間。很明顯，質量的運動（運動x）是相對于固定電極（d1和d2）的，并導致電容（C1和C2）的變化。通過計算C2和C1之間的差異，我們可以得出質量的位移及其方向。

圖3.與單個移動質量相關的加速度。

可移動質量（微米）的位移是由加速度引起的，它會產生極小的電容變化，以便正確檢測（公式1）。這要求使用多個可移動和固定電極，所有電極都以并聯配置連接。該配置可實現更大的電容變化，既可以更準確地檢測，又最終使電容檢測成為一種更可行的技術。

讓我們快速總結一下。力會導致質量位移，進而引起電容變化。現在，并聯放置多個電極可以實現更大的電容，這將更容易被檢測到（圖 4）。V1 和 V2 是電容器兩側的電氣連接，形成一個分壓器，中心點作為我們質量的電壓。

圖4.與多個移動質量相關的加速度。

模擬質量電壓將經過電荷放大、信號調理、解調和低通濾波，然后使用Σ-Δ ADC轉換為數字域。然后，來自ADC的串行數字位流被傳遞到FIFO緩沖器，該緩沖器將串行信號轉換為并行數據流。然后可以使用串行協議（如 I）轉換該并行數據流2C 或 SPI，然后再發送到主機進行進一步處理（圖 5）。

圖5.加速度計的電路。

Σ-Δ型ADC具有低信號帶寬和高分辨率，非常適合加速度計應用。Σ-Δ ADC的輸出值由位數定義，因此可以非常輕松地轉換為加速度計應用的“g”單位。“g”是等于地球在海平面重力的加速度單位：

例如，如果我們的 10 位 ADC 的 X 軸讀數等于可用 1023 （210- 1 = 1023），以3.3V為基準，我們可以使用以下公式得出“g”中指定的X軸的電壓：

X - 電壓 = （600 × 3.3）/1023 = 1.94V

每個加速度計都有一個零g電壓電平，即對應于0g的電壓。我們首先計算零g電壓（數據手冊中指定，假設為1.65V）的電壓偏移：

1.94V - 1.65V = 0.29V

現在，為了進行最終轉換，我們將0.29V除以加速度計的靈敏度（在數據手冊中指定，假設為0.475V/g）：

0.29V/0.475V/g = 0.6g

多軸加速度計

讓我們再看一下圖3，并添加一個實際制造的加速度計（圖6）。現在，我們可以清楚地將加速度計的每個組件與其機械模型相關聯。

圖6.實際加速度計的機械模型。

通過簡單地以不同的方式安裝加速度計（90度，如圖7所示），我們可以創建一個更復雜的應用所需的2軸加速度計。

圖7.2 軸加速度計。

構建兩軸加速度計有兩種方法：將兩個不同的單軸加速度計傳感器垂直布置，或者使用單個質量與電容傳感器一起布置來測量沿兩個軸的運動。

選擇加速度計

在為給定應用選擇加速度計時，重要的是要考慮其一些關鍵特性：

帶寬（Hz）：傳感器的帶寬表示加速度計響應的振動頻率范圍或獲取可靠讀數的頻率。人類不能創造超出 10Hz 到 12Hz 范圍的身體運動。因此，40Hz至60Hz的帶寬足以感測傾斜或人體運動。

靈敏度（mV/g 或 LSB/g）：靈敏度是最小可檢測信號或輸出電信號隨輸入機械變化而變化的量度。這僅在一個頻率下有效。

電壓噪聲密度（μg/SQRT Hz）：電壓噪聲隨帶寬的平方根反比而變化。我們讀取加速度計變化的速度越快，我們得到的精度就越差。當在較低g條件下工作且輸出信號較小時，噪聲對加速度計的性能有較大影響。

零g電壓：該術語指定在0g加速度下輸出端可以預期的電壓范圍。

頻率響應（Hz）：這是用公差帶（±5%等）指定的頻率范圍，傳感器將檢測運動并報告真實輸出。指定的頻帶容差允許用戶計算器件在其指定頻率范圍內的任何頻率下與基準靈敏度的偏差程度。

動態范圍（g）：這是加速度計在失真或削波輸出信號之前可以測量的最小可檢測幅度與最大幅度之間的范圍。

加速度計與陀螺儀

在描述一些MEMS應用之前，我們必須了解加速度計和陀螺儀之間的區別。加速度計測量沿一個或多個軸的線性加速度（以 mV/g 為單位）。陀螺儀測量角速度（以 mV/deg/s 為單位）。如果我們拿起加速度計并對其施加旋轉（即滾動）（圖 8），則距離 d1 和 d2 不會改變。因此，加速度計的輸出不會響應角速度的變化。

圖8.加速度計對旋轉的免疫力。

我們可以以不同的方式構建傳感器，因此包含共振質量的內部框架通過彈簧相對于共振運動成 90 度連接到基板（圖 9）。然后，我們可以通過安裝在內框和基板之間的電極上的電容感應來測量科里奧利加速度。

圖9.相對于移動質量的內部和基板表示。

加速度計和陀螺儀應用

加速度計在汽車中已經使用了很長時間，用于檢測車禍并在適當的時候觸發安全氣囊。它們在移動設備中有許多應用，例如在縱向和橫向模式之間切換，點擊手勢以切換到下一首歌曲，當設備放在口袋中時點擊衣服，或防模糊捕獲和光學圖像穩定。

室內導航

加速度是速度的變化率

α = δv/δ t = δ2X/δt2

我們可以分別通過單積分或雙積分從加速度輸出中推導出速度和距離信息。通過添加陀螺儀提供的測量值，我們可以使用一種特殊技術來跟蹤物體相對于已知起點的位置和方向。此信息用于室內導航，無需外部參考或 GPS 信號。

光學圖像穩定

人的手以非常低的頻率（10Hz至20Hz）顫抖。使用我們最新的小巧輕便的智能手機和相機拍照時，我們會產生抖動，使圖像模糊。光學變焦等功能加劇了這個問題，并產生了更多的模糊。

當使用具有 800x600 像素分辨率的 SVGA 相機以獲得 45 度視角時，請考慮水平漂移為 0.08 度的傳感器。45/800 = 0.056 度，對應于 1.42 像素模糊。隨著相機分辨率的提高，模糊會覆蓋更多的像素并導致更多的圖像失真。

帶有校正軟件的基于陀螺儀的光學圖像穩定可以通過將機械陀螺儀的測量數據發送到微控制器和線性電機以移動圖像傳感器來補償圖像模糊。

基于手勢的控制

我們可以使用MEMS加速度計傳感器對無線鼠標進行基于手勢的控制，或輪椅方向控制，或Wii控制臺中的陀螺儀。其他例子包括使用手勢控制電視上的光標的智能設備，或“虛擬”旋鈕，甚至是手勢命令來控制帶有手持無線傳感器單元的外部設備。?

結論

MEMS加速度計傳感器和陀螺儀長期以來一直廣泛用于船舶、航天、工業機器人和汽車等領域。但是它們的應用多功能性現在已經擴展到智能手機，它們為我們提供了一種使用智能設備進行運動和手勢交互的新方式。了解MEMS行為以及加速度計或陀螺儀的特性，設計人員能夠為大批量應用設計更高效、更低成本的產品。這些MEMS器件還使我們能夠創建新的應用，這些應用正在深刻改變我們的動作、身體運動和手勢如何影響我們的生活方式。

審核編輯：郭婷