加速度計和陀螺儀原理

MEMS加速度計原理

技術(shù)成熟的MEMS加速度計分為三種:壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個剛體支撐的質(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加速度計內(nèi)部也存在一個質(zhì)量塊，從單個單元來看，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算加速度。Freescale的MMA7660FC這一款加速度計(3-Axis Orientation/Motion Detection Sensor)，這一款芯片也是利用這一原理設(shè)計的。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，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。

熱感式MEMS加速度計內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動形成的熱場變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。

由于壓電式MEMS加速度計內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計只能感應(yīng)到“動態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

從上面的分析中，我們可以看到利用容感式和熱感式加速度計進(jìn)行定向時，加速度計測得的加速度里面包括重力加速度在各個軸上的重力分量和動態(tài)運(yùn)動引起的加速度分量。因而，我覺得我們在利用這一類加速度計進(jìn)行定向時，必須將動態(tài)加速度去掉(較為困難);在進(jìn)行檢測芯片的運(yùn)動時，必須將重力加速度的去掉。

我覺得如果我們選擇用加速度計來進(jìn)行定向的話，我們可以考慮ST的LSM303DLH(5*5*1mm,0.83mA)這一款芯片。這一款芯片集成了測加速度和磁場的功能，完全可以滿足我們定向的需求

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加速度計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。

實際的MEMS陀螺儀的設(shè)計如下圖。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)計上，這個物體被驅(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(有點象加速度計中的自測試模式)，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(就象加速度計測量加速度)。因為科里奧利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計算出角速度。