發布日期：2022-10-09 點擊率：38
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編者按：微機電系統(MEMS)在消費電子領域的應用越來越普及，移動市場的增長也帶動了MEMS需求的日益旺盛。實際上，MEMS傳感器正在成為消費類和移動產品差異化的關鍵要素，例如游戲控制器、智能手機和平板電腦。MEMS為用戶提供了與其智能設備交互的全新方式。本文簡要介紹MEMS的工作原理、檢測架構以及各種潛在應用。
引言
本文引用地址：
微機電系統(MEMS)將機械和電子元件集成在微米級的小型結構中。利用微機械加工將所有電氣器件、傳感器和機械元件集成至一片共用的硅基片，從而由半導體和微加工技術組合而成。MEMS系統的主要元件是機械單元、檢測電路以及ASIC或微控制器。本文簡要介紹MEMS加速度計傳感器和陀螺儀，討論其工作原理、檢測結構以及目前市場的熱點應用，對我們日常生活具有深遠的影響。
1 MEMS慣性傳感器
MEMS傳感器在許多應用中測量沿一個或多個軸向的線性加速度，或者環繞一個或多個軸的角速度，以作為輸入控制系統(圖1)。
MEMS加速度計傳感器通常利用位置測量接口電路測量物體的位移，然后利用模/數轉換器(ADC)將測量值轉換為數字電信號，以便進行數字處理。陀螺儀則測量物體由于科里奧利加速度而發生的位移。
2 加速度計工作原理
根據牛頓第二定律，物理加速度(m/s2)與受到的合力(N)成正比，與其質量(kg)成反比，加速度方向與合力相同。
值得注意的是，加速度計的作用力檢測單元捕獲產生加速的力。所以，加速度計實際測量的是力，而不是加速度;基本上是通過測量施加在加速度計其中一個軸向的作用力間接測量加速度。
加速度計也是一種機電裝置，包括孔、空腔、彈簧和管道，機械加工采用微加工技術。加速度計采用多層晶圓工藝，通過檢測物體重心相對于固定電極的位移測量加速力。
3 加速度計的檢測單元
加速度計常見的檢測方法是電容檢測，其中加速度與運動產生的電容變化相關(圖2)。這種檢測技術的優點是高精度、高穩定度、低功耗，以及結構簡單，不容易受噪聲及溫度波動的影響。由于電容式加速度計的物理結構(彈簧)以及IC內的空氣作為阻尼器，其帶寬只有幾百赫茲。
ε0=自由空間的介電常數
εr=電極板之間的材料的相對介電常數
A=電極板之間的重疊面積
D=電極板之間的距離
電容結構可以為單側或差分對。我們以差分對加速度計為例進行介紹(圖3)。加速度計包括單個可移動物體(一個表面)，物體沿著彈簧方向放置，介于兩個固定的硅基片或電極(另一平面)之間。顯而易見，物體相對于固定電極(d1和d2)運動(Motion x)，造成電容發生變化(C1和C2)。通過計算C2和C1之差，得出物體重心的位移及其方向。
可移動物體的位移(微米)是由于加速引起的，造成電容發生極其微小的變化，可正確檢測到這一變化(式1)。這種方式需要使用多個可移動和固定電極，采用并聯配置;可產生更大的電容變化，提高檢測精度，并最終使電容檢測技術更加可行。
上述過程可簡單歸納為：作用力導致物體發生位移，進而發生電容變化。將多個電極并聯，可獲得更大的電容變化，更容易檢測到位移(圖4)。V1和V2連接至電容的每側，電容分壓器的中心連接到物體。
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為什么arduino uno只能每秒讀傳感器80次？
發表于 2017-11-27 03:16
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Matlab 能讀 Arduino監視窗口的數據嗎？
發表于 2017-11-20 08:03
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急！！Matlab 能讀 Arduino監視窗口的數據嗎？
發表于 2017-11-20 08:02
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請教關于VISA串口讀取數據時，出現嚴重延時的問題
發表于 2017-11-17 04:22
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基于加速度傳感器的計步器設計與實現
隨著MEMS 技術的發展，基于MEMS 技術的慣性傳感器得到迅速發展，其具有價格低、體積小、功耗低、...
發表于 2017-11-09 15:09
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發表于 2017-10-25 21:09
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加速計
發表于 2017-09-18 10:42
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如何利用加速度傳感器測量物體的傾斜角度？
測量物體的傾斜角度是加速度傳感器的一種常見應用，雖然測試原理十分簡單，但具體實現過程中仍然會遇到很多...
發表于 2017-08-30 16:41
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加速度傳感器的技術指標與應用，壓電式加速度傳感器...
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球...
發表于 2017-06-07 16:04
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加速度傳感器的分類、工作原理與內部結構
加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組...
發表于 2017-06-07 11:53
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手機傳感器最全的資料，就在這里了！
手機中的傳感器是指手機上的那些能夠通過芯片來感應的元器件，如反應距離值、光線值、溫度值、亮度值和壓力...
發表于 2017-01-10 16:00
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加速度傳感器在鐵路交通中的應用
自鐵路出現以來，火車便在陸地交通運輸中擔當著舉足輕重的角色。尤其是隨著社會的快速發展，資源流通的頻率...
發表于 2017-01-05 17:25
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加速度傳感器工作原理及應用
可穿戴設備當中傳感器至關重要，其中的加速度傳感器能夠完成位置及姿勢的識別。本文通過對三軸傳感器工作原...
發表于 2016-12-28 15:16
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加速度傳感器的選型、安裝、排障
隨著智能手機等消費類電子的普及，要求設備具備更高的功能和可設計性，加速度傳感器為滿足使用中的工況環境...
發表于 2016-11-29 14:57
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三軸加速度傳感器應用詳解
加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀改進過來的。另一種就是線加速度傳感器。它也可以按...
發表于 2016-11-29 13:45
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加速度傳感器的選型、安裝、排障（典藏）
加速度傳感器為滿足使用中的工況環境和量程、精度等需求，要做正確的選型，我們來了解一下加速度傳感器有哪...
發表于 2016-11-29 13:36
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細數加速度傳感器的7大應用場景
加速度傳感器有兩種：一種是角加速度傳感器，是由陀螺儀改進過來的。另一種就是線加速度傳感器。它也可以按...
發表于 2016-11-24 17:13
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應用輻射各行各業 傳感器市場即將爆發
在萬物互聯時代，傳感器是其中最關鍵的組件之一。據國家統計局統計數據顯示，2016-2021年，受物聯...
發表于 2016-11-24 10:27
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加速度傳感器工作原理及分類
加速度傳感器是一種能夠測量加速力，將加速度轉換為電信號的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在...
發表于 2016-11-22 11:50
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加速度傳感器的應用詳解
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力也就是當物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度傳...
發表于 2016-11-15 11:25
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加速度傳感器的幾種應用
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力也就是當物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度傳...
發表于 2016-05-23 18:00
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詳解加速度傳感器的幾種應用
現在，加速度傳感器廣泛應用于游戲控制、手柄振動和搖晃、汽車制動啟動檢測、地震檢測、工程測振、地質勘探...
發表于 2015-04-27 09:58
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基于智能手機的人體跌倒檢測系統
目前，跌倒檢測方法最常見的是視頻圖像分析法和穿戴式裝置檢測法。##Android是一個開源移動操作系...
發表于 2015-01-30 11:35
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基于MEMS加速度傳感器五大功能簡化用戶設計
隨著蘋果iPhone和任天堂Wii游戲機的流行，加速度傳感器在消費類電子設備中得到了廣泛的應用。
發表于 2014-07-15 16:16
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淺析加速度傳感器在高速鐵路中的應用
隨著高速鐵路飛速發展，在時速超過350km／h的高速鐵路線路上，列車的測速定位問題顯得越來越重要。測...
發表于 2014-07-15 15:17
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基于加速度傳感器的低功耗沖擊記錄儀的實現
隨著微電子技術的迅速發展，特別是電子加速度傳感器技術和單片機技術的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀應運...
發表于 2014-07-15 14:57
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基于BP神經網絡的手勢識別系統
本文給出了采用ADXL335加速度傳感器來采集五個手指和手背的加速度三軸信息，并通過ZigBee無線...
發表于 2014-07-14 10:55
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基于C8051F020與傳感器的振動信號分布式檢...
介紹了C8051F020及MXA2500GL的性能特點，并給出了振動信號分布式檢測的架構及實現。
發表于 2014-07-13 11:43
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手機上那些你所不知道的傳感器
現在的手機越來越多功能，尤其是移動互聯網的發展，使手機的進步更是迅速。人們對手機的要求已經不局限于以...
發表于 2014-07-11 13:23
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基于加速度傳感器MMA7260QT的自動搖籃設計
照顧小寶寶是非常勞累的事情，因為他們醒來和睡覺都比較頻繁，加之喂食換衣服等活動，會占用大人大量的時間...
發表于 2014-07-10 09:07
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加速度傳感器ADXL50在導彈行軍中的應用
在導彈車載行軍過程中，車上的導彈會受到各種振動的沖擊影響，這種振動沖擊如果過大則會造成導彈的損傷或損...
發表于 2014-07-08 14:58
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傳感器在筆記本防盜器中的應用
近年來針對筆記本等個人貴重物品被盜時有發生這一現狀,設計出一種基于加速度傳感器的低功耗無線防盜器。
發表于 2014-07-07 20:19
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飛思卡爾MMA955xL: Xtrinsic運動...
飛思卡爾的Xtrinsic MMA955xL智能運動傳感平臺用于移動設備，是業界第一個集成了MEMS...
發表于 2014-01-22 15:12
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飛思卡爾FXOS8700CQ6軸數字傳感器：3D...
飛思卡爾FXOS8700CQ 6軸Xtrinsic傳感器在小型3 x 3 x 1.2 mm QFN塑...
發表于 2014-01-22 14:32
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ADXL362：一款超低功耗、3軸MEMS加速度...
ADXL362是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計，輸出數據速率為100 Hz時功耗低于2 μA，在...
發表于 2014-01-22 10:28
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可穿戴設備中的傳感器分類與國內供應商一覽
IMS研究指出，保健和醫療領域的可穿戴設備占據今年60%市場份額，未來的份額可能會進一步提升。可穿戴...
發表于 2013-10-24 10:28
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打造智能傳感器平臺 軟件成熟度是關鍵
除了融合多種傳感器的硬件技術之外，飛思卡爾市場經理高小龍還強調，對于多合一及智能傳感器平臺，軟件方案...
發表于 2013-08-09 08:53
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三軸加速度傳感器在智能車控制與道路識別中的應用
三軸加速度傳感器MMA7260Q可以測量智能車慣性大小，選取最佳重心位置，并能準確定位智能車處于直線...
發表于 2013-07-02 17:01
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汽車、消費、醫療商機看漲 ADI爭當MEMS先鋒
受益于我國汽車電子、新型數字消費電子和醫療電子等產業的快速發展，國內市場對傳感器的需求呈現出快速增長...
發表于 2013-04-27 09:32
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MEMS加速度傳感器 打造下一代智慧生活
現今在社會大眾的生活周遭，我們已經不知不覺的在享受MEMS傳感器所帶給我們的所有便利以及生活安全上的...
發表于 2013-03-14 16:52
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TI展示革命性鼠標樣品：可懸空操控的“三維”鼠標
德州儀器展示了一款革命性的鼠標樣品，它是真正的“三維”鼠標，不需要任何介質便可懸空操控。
發表于 2013-03-12 11:13
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加速度計應用于筆記本電腦硬盤保護
本文介紹利用加速度傳感器判斷硬盤是否劇烈震動、跌落，及時調整硬盤讀寫磁頭到安全區，達到保護目的。下面...
發表于 2013-02-02 09:45
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今天找pid的資料突然找到了一個，然后發現了一個平衡車的教程，所以就記錄了下來，方便以后看，下面有鏈接所以可以去看一下這個網站。
1. 加速度傳感器
加速度傳感器，有些人也叫它加速度計，你只要記住其實是一個東西兩個名字而已。
加速度傳感器，顧名思義，用于測量由地球引力作用或者物體運動所產生的加速度。
為了方便理解，我將加速度分為兩種：由地球引力產生的重力加速度，只要地球還在，重力就不會消失；由物體運動產生的運功加速度，根據牛二定理，只要有外力作用，便產生加速度。加速度傳感器測量的是這個加速度的總和。物體靜止加速度計測量的就是重力加速度。
2.陀螺儀
陀螺儀，沒錯，它就只叫陀螺儀，沒有其他名字。
陀螺儀，顧名思義，你猜不出它是干嘛的也很正常。但是，現在你要記住了，陀螺儀可以用來測量物體的旋轉角速度。
我們小時候玩四驅車的時候，常說這個電機轉每秒很牛逼，單位轉/秒，那你怎么知道它轉每秒，它這樣寫你就信了？如果我們有陀螺儀，把陀螺儀掛到電機軸上，那么陀螺儀測量的是旋轉角速度，再除于三百六十度（一轉）就可以知道這個電機轉速了。實際上我們不會這樣測轉速-。 -，這里僅舉個例子讓你明白陀螺儀是干啥的。
陀螺儀利用了旋轉坐標系中的物體會受到科里奧利力的原理。在陀螺儀中利用壓電陶瓷做成振動單元，當旋轉（陀螺儀）時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉的角速度。
要獲得角度，就需要對陀螺儀角速度進行積分Angle+ 。Angle是帶有正負的，正值表示按正向旋轉，負值表示按負向旋轉。具體怎么定義正負方向，就得看你的運用了。
圖5 MPU-6050方向正負示意圖
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經過積分運算。如果角速度信號存在微小 的偏差和漂移，經過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步 增加，最終導致電路飽和，無法形成正確的角度信。如圖6所示。
為什么要用加速度計和陀螺儀兩個傳感器？
似乎只需要加速度傳感器就可以獲得車模的傾角，再對此角度值進行微分便可以獲得傾角速度。但在實際車體運行過程中，由于車體本身的擺動所產生的加速度會產生很大的干擾信號，它疊加在上述測量信號上使得輸出信號無法準確反映車體的傾角，如圖7所示。
圖7 車體運動引起加速度信號波動
由于陀螺儀輸出的是車體的角速度，不會受到車體運動的影響，因此該信號中噪聲很小。車體的角度又是通過對角速度積分而得，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息，需要經過積分運算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移，經過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導致電路飽和，無法形成正確的角度信號，如圖8所示。
圖8 陀螺儀積分誤差
如何消除陀螺儀的累積誤差呢？
一種簡單的方法就是通過加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正。通過對比陀螺儀積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度，使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出，從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。
一言蔽之，陀螺儀噪聲很小，角速度數據精準，通過積分得到角度，但是長期積分會產生累積誤差，需要加速度傳感器來校正此誤差，獲得正確的姿態數據。
轉自：
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