MEMS加速度计
MEMS加速度计和MEMS陀螺仪区别 常见MEMS加速度传感器介绍
MEMS 加速度计和MEMS 陀螺仪区别常见MEMS
加速度传感器介绍
MEMS 加速度计和MEMS 陀螺仪区别
最大的区别就是：工作原理和应用的区别（具体概念看下百科），前者是利用加速度，后者是利用惯性；前者是用在测斜调平，后者是知道通过知道角速率，可以知道物体的姿态，以便进行姿态控制。
两种东西通常是结合到一起应用。
比如IMU（惯性测量单元）：就是由三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。
结合一起的原因就是：加速度计多用在静态或者匀慢速运动中，而陀螺仪应多用在动态中，而惯性器件随着时间的延长，会有零漂。
所以加速度计会给出一定的修正。
现在为了满足各种需要，有组合导航，即卫星导航和惯导组合
（GNSS/INS）。
MEMS加速度计综述
MEMS加速度计综述1、MEMS加速度计的概念加速度计是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。
加速力就是当物体在加速过程受到的力，就比如地球引力（粗略情况下也可以说是重力）。
加速力可以是个常量，比如m g，也可以是变量。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度计就是使MEMS技术制造的加速度计。
由于采用了微机电系统（也就是MEMS）技术，其尺寸大大的缩小了，一个MEMS加速度计大小不到一平方厘米。
MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。
2、MEMS加速度计的应用场合通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度（也就是姿态）。
通过分析动态加速度（积分后得到速度，再次积分可得位移），你可以分析出设备移动的方式。
现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。
MEMS加速度计可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。
是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。
一个好的工程师能够使用MEMS加速度计来回答所有上述所有的问题。
目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了MEMS加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度地保护里面的数据。
目前在一些先进的移动硬盘上也使用了这项技术。
另外一个用处就是在目前的数码相机和摄像机里，用MEMS加速度计来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。
MEMS加速度计还可以用来分析发动机的振动。
汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。
由此可见MEMS加速度计可以在我们的生活中发挥重要作用。
归纳其应用主要有以下几个方面：振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等.3、MEMS加速度计是如何工作的？技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。
MEMS加速度计的原理及应用
MEMS加速度计的原理及应用MEMS加速度计（Microelectromechanical Systems Accelerometer）是一种基于微电子机械系统的加速度测量器件。
它利用微电子技术和微米制造工艺，将加速度的作用转化为电信号的变化，从而实现对物体的加速度测量。
MEMS加速度计的原理是利用微机械结构和微运动质量的特性。
一般来说，MEMS加速度计由微型质量块和弹簧支撑系统组成，当物体发生加速度改变时，弹簧支撑系统会受到力的作用，从而导致微型质量块产生相应的位移。
这个位移可以通过微电子传感器转化为电信号，进而进行处理和分析。
1.手机和消费电子产品：MEMS加速度计被广泛应用在手机和其他消费电子产品中，用于实现自动屏幕旋转、运动感应游戏、姿势识别和手势控制等功能。
2.汽车安全系统：MEMS加速度计可用于汽车安全系统中，如气囊部署系统。
当车辆发生碰撞或急刹车等意外情况时，加速度计可以检测到车辆的加速度变化，并触发相应的安全机制。
3.工业监测：MEMS加速度计可以用于工业监测中，如机械设备的振动监测。
通过检测设备振动的频率和幅度，可以预测设备的健康状况和可能的故障。
4.体感游戏和虚拟现实（VR）设备：MEMS加速度计可以用于体感游戏和虚拟现实设备中，如头戴式显示器。
通过感应用户的头部和身体的运动，可以实现更加真实和沉浸式的游戏和虚拟体验。
5.医疗领域：MEMS加速度计可以用于医疗监测和诊断中，如运动追踪和睡眠监测。
通过监测运动和睡眠的模式和质量，可以帮助医生评估患者的健康状况。
6.运动跟踪器：MEMS加速度计在运动跟踪器中被广泛应用，如智能手环和运动手表。
它可以实时监测用户的步数、距离、卡路里消耗和睡眠质量等信息。
总结起来，MEMS加速度计是一种基于微电子机械系统的加速度测量器件，它通过微机械结构和微运动质量的特性，将加速度的作用转化为电信号的变化。
这种技术在手机、汽车安全系统、工业监测、体感游戏、医疗领域和运动跟踪器等领域有着广泛的应用。
MEMS加速度计
MEMS加速度计MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）加速度计是一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计。
MEMS加速度计以微机电系统技术为基础，利用微型机械结构和微电子技术制作而成的一种传感器。
其结构通常包括一个质量并且可以在三个不同方向上移动的臂梁，一些感应电极以及一个基座。
当加速度计受到外部加速度作用时，质量会受力发生偏移，从而导致感应电极的电荷和电场发生变化，通过测量这些变化，就可以得到外部加速度的信息。
MEMS加速度计主要有压电加速度计和电容加速度计两种类型。
压电加速度计是利用压电效应实现加速度测量的，当受到外部加速度作用时，压电材料产生电荷，从而产生电压输出。
电容加速度计是基于电容变化原理设计的，当加速度计产生加速度时，微机械结构中的电容会发生变化，通过测量电容变化就可以得到加速度的信息。
由于压电加速度计和电容加速度计都是微型化设计，制作工艺成熟，因此MEMS加速度计具有尺寸小、功耗低、成本低和可靠性高等特点。
MEMS加速度计广泛应用于许多领域，特别是在移动设备、汽车、航空航天、智能穿戴设备和工业自动化等领域。
在移动设备方面，MEMS加速度计可用于屏幕旋转、晃动控制和跌落检测等功能。
在汽车领域，MEMS加速度计能够实现碰撞检测、车身稳定控制和自动泊车等功能。
在航空航天领域，MEMS加速度计可用于姿态测量和导航系统。
在智能穿戴设备方面，MEMS加速度计可用于步数统计、睡眠监测和运动追踪等功能。
在工业自动化领域，MEMS加速度计可用于振动检测和故障诊断等应用。
然而，MEMS加速度计也存在一些问题。
首先，由于其微小尺寸，对温度、湿度和振动等环境因素的影响较大，可能会导致测量误差。
其次，MEMS加速度计的精度和分辨率相对较低，对微小加速度的测量不够敏感。
此外，MEMS加速度计的线性度和漂移等问题也需要进一步优化和改进。
综上所述，MEMS加速度计作为一种集成了微电子技术、微机械技术和传感器技术的微型加速度计，在各个领域有着重要的应用价值。
mems电容式加速度计原理
MEMS电容式加速度计原理一、工作原理MEMS电容式加速度计是一种基于微机械加工技术制成的传感器，用于测量加速度。
其核心部分是可移动的感应质量块和固定电极，它们之间存在微小的间距。
在工作状态下，当被测物体发生加速度时，感应质量块会受到力的作用，从而产生位移。
这个位移量会改变感应质量块与固定电极之间的距离，从而引起电容值的改变。
通过测量电容值的变化，可以推导出物体的加速度。
二、结构设计MEMS电容式加速度计的典型结构包括一个可移动的感应质量块和两个对称的固定电极。
感应质量块通常采用单晶硅材料制成，形状为长方形或圆形，其两端固定在弹性梁上。
弹性梁的材料一般为氮化硅或石英，它们具有良好的弹性性能和稳定的热性能。
固定电极一般采用金属材料制成，与硅衬底形成电容器。
当加速度作用在感应质量块上时，感应质量块会沿着敏感轴方向产生位移，从而改变电容器的电容值。
三、电容变化当感应质量块发生位移时，它与固定电极之间的距离会发生变化，导致电容值的改变。
这个电容变化量可以通过外部电路检测并转换为电压信号输出。
在MEMS电容式加速度计中，通常采用差分电容检测方式来提高检测灵敏度和减小外界干扰的影响。
差分电容检测方式是将两个对称的电容器串联在一起，通过测量两个电容器的电容差值来推导出加速度值。
四、测量范围MEMS电容式加速度计的测量范围取决于其结构设计、制造工艺和材料选择等因素。
一般来说，MEMS电容式加速度计的测量范围在±2g 至±10g之间。
在实际应用中，可以根据需要选择适合测量范围的加速度计。
此外，为了减小测量误差和提高测量的稳定性，可以对加速度计进行温度补偿和线性补偿等处理。
五、方向测量MEMS电容式加速度计一般只能测量单一方向的加速度值，而要实现方向测量则需要使用多个加速度计。
一般来说，将多个MEMS电容式加速度计按不同的方向布置在同一个被测物体上，每个加速度计负责测量一个方向的加速度值。
通过对这些加速度值进行处理和分析，可以获得物体在三维空间中的运动状态和方向信息。
MEMS压电式加速度计
MEMS压电式加速度计MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）压电式加速度计是一种利用压电效应测量加速度的传感器。
它基于微纳技术制造而成，具有小型化、低功耗、高性能等优势，在汽车、航空航天、智能手机等领域广泛应用。
MEMS压电式加速度计的主要原理是利用压电材料的特性。
压电材料是一种在受到力或压力作用下会产生电荷的材料。
当压电材料受到加速度作用时，会产生应变，从而产生电荷。
通过测量这个电荷的大小，就可以确定加速度的大小。
MEMS压电式加速度计由压电传感器和信号处理电路组成。
压电传感器通常采用层状压电片结构，其中包含了压电材料和电极层。
当压电材料受到加速度作用时，会产生电荷，在电极间形成电压。
信号处理电路会将这个电压转换为数字信号，并进行处理和分析。
MEMS压电式加速度计具有以下优势。
首先，它是一种小型化的传感器，体积小、重量轻，可以方便地集成到其他设备中。
其次，它具有低功耗的特性，适合于电池供电的应用。
此外，它的响应速度快，可以检测频率较高的加速度变化。
最后，它的测量精度高，可以达到微米级的精度要求。
MEMS压电式加速度计在汽车行业中得到广泛应用。
例如，在车辆的安全系统中，可以通过加速度计来检测车辆的碰撞、翻滚等情况，从而触发安全气囊的打开。
此外，它还可以被用于车辆的悬挂系统、刹车系统等方面的控制和监测。
在航空航天领域，MEMS压电式加速度计可以用于火箭、导弹等飞行器的姿态控制和导航系统中。
通过测量加速度，可以确定飞行器的姿态和位置，从而实现精确的导航和控制。
在智能手机等消费类电子产品中，MEMS压电式加速度计可以用于屏幕旋转、手势识别等功能。
通过感知手机的倾斜、旋转等动作，可以实现屏幕的自动旋转、游戏的控制等功能。
总之，MEMS压电式加速度计是一种应用广泛的传感器，具有小型化、低功耗、高性能等优势。
它在汽车、航空航天、智能手机等领域发挥着重要的作用，为这些领域的发展和进步做出了贡献。
mems三轴加速度计原理
mems三轴加速度计原理MEMS三轴加速度计原理1. 什么是MEMS三轴加速度计？MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）三轴加速度计是一种微型化的传感器设备，用于测量物体在三个方向上的加速度。
它的工作原理基于微机电系统技术，通过微型电子组件和微机械结构实现加速度的检测与测量。
该设备通常由微加速度感应器、信号处理电路和数据输出接口组成，能够广泛应用于移动设备、汽车安全系统、运动监测等领域。
2. MEMS三轴加速度计的工作原理微加速度感应器微加速度感应器是MEMS三轴加速度计的核心部件。
它通常由微结构和敏感电路组成。
微结构由多个微机械振动结构组成，其中包括微型质量块和弹簧。
当发生加速度时，微加速度感应器内的质量块会受到惯性力的作用而发生位移，从而引起弹簧的变形。
敏感电路敏感电路是用于检测和测量微加速度感应器产生的位移的电路部分。
它通常由压电传感器和信号放大器组成。
压电传感器可以将微加速度感应器的位移转化为电荷信号。
当微加速度感应器发生位移时，压电传感器产生电荷信号，这个信号会被传递到信号放大器。
信号放大器会放大压电传感器产生的微弱电荷信号，使之成为可以被读取和处理的电压信号。
3. MEMS三轴加速度计的工作过程MEMS三轴加速度计的工作过程可以分为三个阶段：感应阶段、转换阶段和读数阶段。
感应阶段在感应阶段，当加速度发生变化时，微加速度感应器内的质量块会受到惯性力作用而发生位移。
这个位移将被压电传感器转化为电荷信号。
转换阶段在转换阶段，压电传感器产生的电荷信号被信号放大器放大为可以进行读数和处理的电压信号。
信号放大器通常采用运算放大器等电路进行放大。
读数阶段在读数阶段，通过数据输出接口可以读取和处理由信号放大器产生的电压信号。
这些信号可以被转换成数字信号，从而得到物体在三个方向上的加速度数值。
MEMS三轴加速度计通过微机电系统技术，利用微加速度感应器和敏感电路实现对物体加速度的检测和测量。
MEMS加速度计分析
MEMS加速度计分析MEMS加速度计（Microelectromechanical systems accelerometer）是一种基于微电子技术和微机械结构的传感器设备，用于测量物体的加速度。
它具有小巧、低功耗、高精度等优势，在多个领域中得到了广泛的应用，如智能手机、车载导航系统、运动监测设备等。
本文将对MEMS加速度计的原理、结构、应用以及未来发展进行详细分析。
首先，MEMS加速度计利用微电子技术和微机械结构实现了对物体加速度的测量。
其基本原理是通过测量微结构在加速度作用下产生的位移或形变来确定物体的加速度。
一般来说，MEMS加速度计由感应质量块、弹簧结构和传感电路组成。
当物体加速度发生变化时，感应质量块会受到作用力的影响而移动，进而引起弹簧结构的形变。
通过测量感应质量块或弹簧结构的位移或形变，就可以确定物体的加速度。
其次，MEMS加速度计具有一系列优点。
首先，它具有小巧的尺寸，可以被集成到各种微型设备中，如智能手机、手表等。
其次，它具有低功耗的特点，由于采用了微电子技术，可以在工作过程中消耗较少的电能，延长设备的使用寿命。
再次，MEMS加速度计具有高精度的特点，可以测量微小的加速度变化，从而提供准确的加速度数据。
此外，MEMS加速度计还具有较低的成本，相对于传统的加速度计，其制造成本较低。
MEMS加速度计在各个领域中具有广泛的应用。
在智能手机中，MEMS加速度计用于屏幕自动旋转、运动感应和步态识别等功能。
在车载导航系统中，MEMS加速度计可以检测汽车的加速度，从而实现车辆的导航功能。
在运动监测设备中，MEMS加速度计可以测量人体的运动轨迹和交通模式，从而实现步数统计和运动状态监测等功能。
除此之外，MEMS加速度计还被应用于工业自动化、医疗健康、航空航天等领域。
然而，MEMS加速度计也存在一些局限性。
首先，由于其微小的尺寸和灵敏的结构，MEMS加速度计容易受到外界环境的干扰，如温度变化、震动等。
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d
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电容式加速度计
– – – – – 敏感器件制作简单 不受温度影响 读出电路复杂 易受寄生参数影响 非线性
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电容式加速度计（一）
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电容式加速度计（一）
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电容式加速度计（一）
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4 mf
• 当质量、刚度、阻尼改变时，系统的频率随之变化，反之， 可由频率的变化反推这些物理量的变化 • 刚度改变可由附加物质、边界条件和内应力引起 • 质量和阻尼的变化可由附加物质、外部环境引起
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弯曲频率随轴力的变化
• 轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化，进而引起弯曲频率的 变化 • 矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为
2 mk
1 2
读出传感器 壳体
弹簧
加速度测量方向
品质因子
Q
m
检测质量
拉氏变换得传递函数的幅值和 相位分别为
H ( ) X ( ) 1 A( ) ( ) ( / Q)
r 2 2 2 0 0 2
阻尼器
tan
5
1 2 0
0
Q
2
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电容式加速度计（一）
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电容式加速度计（二）
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电容式加速度计（二）
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重庆大学 微系统研究中心
电容式加速度计（二）
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电容式加速度计（三）
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电容式加速度计（三）
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– 结构简单 – 无法测直流（常加速 度） – 温度系数较大
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压电式加速度计（一）
• ZnO压电层
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压电式加速度计（一）
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压电式加速度计（一）
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压电式加速度计（二）
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Ν l ω (Ν ) ω ( 0 ) 1 γ ( 1 ν )( ) Εwh h • 其中w、h和l分别为梁的宽度、厚度和长度，E和 分别 ω 为材料的弹性模量和泊松比，n表示频率的阶数，n( 0 ) 表 示第n阶无轴力频率，其值为
2 n n n
ν
• 系数 n
53
h ω(0) 12 l 和 γn 见下表
n n 2
2
E (1 )
2
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两端固支梁频率计算系数
模态 1 2 3 4 5 4.730 7.854 11.00 14.14 17.28
nn 0.2949
0.1453 0.08119 0.05155 0.03553
γ
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谐振式加速度计
• （可用电阻热激振和压阻感知） – 直接数字输出 – 潜在的高精度：电漂移和热噪声影响小
隧道加速度（四)
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隧道加速度（四)
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隧道加速度（五)
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隧道加速度（六)
• Peking University • 800mV/g
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热对流式加速度计
– – – – 结构和读出电路简单 响应较慢 线性工作范围小 受温度影响大
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谐振式加速度计（三）
• 第一个样品灵敏度约70Hz/g， 带宽10kHz，分辨率0.1g； • 第二个样品灵敏度约45Hz/g。
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隧穿式（Tunneling）
• 在一定的电压作用下，隧穿电流为
其中 I 0 为归一化电流， 为隧道势垒 高度， 为隧尖到电极之间的距离， 为转换系数。 z • 可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离。 • 典型初始间距约1nm，间距变化0.01nm时，隧道电流 的相对变化量达4.5%。
压电式加速度计（三）
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压电式加速度计（三）Biblioteka 33重庆大学 微系统研究中心
压电式加速度计（三）
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电容式(Capacitor)
• 运动导致电容的变化
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电容
电容为 其中 分别为空气的介电常数和 两电极的正对面积。电容的变化与 位移不成正比，非线性较强。 0bL 令 C0 若初始偏移为x0 ,则当 0 x L 时, 电容的相对变化为 C x x0 C0 L 线性度比较好。 梳齿电容器的电容与位移的线性度很好，得到广泛的应 用。
MEMS加速度计的特点
• • • • • • 尺寸小 重量轻 成本低 易集成 功耗小 …… 据专家预测，MEMS加速度计在不久的将来有可能独 占中低精度的加速度计市场的潜力。
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基本原理
质量块运动方程
0
m cx kx ma x
r r r
k 无阻尼固有频率 m c 阻尼比
电容式加速度计（三）
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电容式加速度计（四）
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电容式加速度计（四）
• 边缘场影响
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电容式加速度计（四）
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电容式加速度计（四）
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谐振式（Resonator）
• 运动方程 mx cx kx F 1 k • 无阻尼频率 f 2 m • 有阻尼频率 fD f 1 2 其中 c
a
m
振梁
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谐振式加速度计(一)
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谐振式加速度计(一)
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（二）
MEMS加速度计
2013年7月28日
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应用领域
• • • • • • • • • • • • 机械特性检测 土木结构状态监测 汽车 机器人 自动化 地震记录 汽车 结构主动控制 卫星导航 武器制导 玩具 ……
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加速度计的精度与价格
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基本原理
• 传递函数幅值
由图可见，为提高灵敏度， 需要降低固有频率。 降低固有频率有两个方案： 降低刚度或增大质量。
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基本原理
• 在单位阶跃加速度 作用下的响应为 其中 由图可见，对于开环 加速度传感器，为提 高响应速度，传感器 应该具有较大的阻尼 比（即小品质因子）。 若采用力反馈控制， 由于相对位移基本被 控制在零位，可以采 7 用小阻尼或大品质因 子。
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压阻式加速度计（一）
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压阻式加速度计（一）
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压阻式加速度计（一）
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压阻式加速度计（二）
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压阻式加速度计（二）
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压阻式加速度计（三）
表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为
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半导体的压阻效应
常用压阻材料： p+或n+多晶硅 金属
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压阻式加速度计
– – – – 读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大 温度系数大 灵敏度不高
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压阻式加速度计（一）
0 t 0 a (t ) 1 t 0
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加速度计的性能指标
• 量程 • 灵敏度： 降低刚度 增加质量 • 动态范围 提高加速度计的固有频率，但这与提高灵敏度有矛盾。 • 反应时间 提高固有频率
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工作原理
• • • • • • • 压阻式 压电式 电容式 谐振式 隧穿式 热对流式 ……
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压阻式加速度计（三）
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压阻式加速度计（三）
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压阻式加速度计（三）
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半导体的压电效应(piezoelectricity)
• 压电效应是居里夫妇于1880年发现的 • 压电效应：某些材料在机械力作用下产生变形,会引起表 面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比
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谐振式加速度计（二）
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谐振式加速度计（三）
• 基于热激励和压阻感知 • 工作原理