四种微加速度计传感器异同
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）。
微加速度计的技术现状和发展趋势
微加速度计的技术现状和发展趋势微加速度计是一种用于测量微小加速度的仪器。
它通常由一个微加速度传感器和一个信号处理单元组成。
微加速度计可以广泛应用于工业、航天、医疗等领域，在这些领域中具有重要的应用价值。
下面将重点介绍微加速度计的技术现状和发展趋势。
技术现状：1.传感器技术：传感器是微加速度计的核心部件，直接影响着仪器的性能。
目前，常用的微加速度传感器技术有压电、电容、激光干涉等。
其中，压电传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点，广泛应用于微加速度计中。
2.信号处理技术：微加速度计产生的信号较小，需要经过放大、滤波等处理才能得到可靠的结果。
目前，常用的信号处理技术包括模拟信号处理和数字信号处理。
模拟信号处理一般采用放大器、滤波器等电路来处理信号，而数字信号处理则通过模数转换、滤波、数字滤波器等算法来实现。
3.精度和灵敏度：微加速度计要求具有高精度和高灵敏度的特点。
目前，微加速度计的精度一般能达到0.001g，灵敏度可达到0.0001g。
但是，随着科技的不断发展，人们对微加速度计的精度和灵敏度的要求也越来越高。
4.非线性和温度稳定性：微加速度计的非线性和温度稳定性也是技术现状中需要解决的问题。
非线性误差一般用百分比来表示，目前常用的微加速度计的非线性误差在1%以内。
而温度稳定性是指在不同温度下测量精度是否得到保证，目前主要解决方案是采用温度补偿技术，使得微加速度计在不同温度下仍能保持较好的性能。
发展趋势：1.小型化：随着科技的不断发展，人们对微加速度计的需求越来越高。
在航天、医疗等领域，对微加速度计的要求是体积小、重量轻。
因此，微加速度计的小型化将是未来的发展趋势。
2.高精度：微加速度计的精度一直是人们关注的焦点。
未来的发展方向是通过改进传感器的设计、提高信号处理的技术水平，使得微加速度计的精度进一步提高。
3.多功能化：随着应用领域的不断扩大，微加速度计的需求也在不断增加。
未来的发展方向是通过增加传感器的功能，实现多种物理量的测量。
加速度计、角度传感器知识整理与解析
加速度计、角度传感器知识整理与解析1、传感器基础知识 (2)2、比力 (2)3、加速度传感器测量倾角原理 (3)4、Question and answer (3)5、电子罗盘 (3)7、陀螺仪和加速度计的区别与联系 (4)8、常用芯片介绍 (4)交流QQ：10021007601、传感器基础知识陀螺和加速度计是惯性器件，是用来测量相对惯性空间的角速度（或对于积分类型的陀螺来说是角增量）和加速度。
在三维空间中，描述一个刚体运动要六轴，三轴加速度，三轴角速度。
加速度传感器：测量加速度的值，是指直线运动，一般以重力加速度g为单位。
角度传感器：测量角度的传感器，范围比较广泛各种角度与倾角传感器有些不一样。
角度传感器可以是垂直的，各种安装方式都行，是指相对角度。
多数的角度传感器是以加速计为基础，通过重力加速度分量估算角度，通常也会要求在静态下测量。
倾角传感器：倾角传感器其实是个绝对角度，原型是加速度传感器，是指被测物体与地球引力（垂直地球）的夹角。
所以它应该是个绝对值。
加速度是测量轴向的力，由F=ma，m已知，就可以知道力(加速度)的大小，所以惯导系统的里都是讲“比力”，因为力是比较出来的。
2、比力比力：单位质量上作用的非引力外力。
通常我们说“用加速度计测量载体的运动加速度”，实际上这个说法并不确切，因为加速度计测量的不是载体的运动加速度，而是载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之差，称作“比力”---艾弗里尔B，查特菲尔德著.高精度惯性导航基础.北京：国防工业出版社，2002.在一般线加速度计中测量的是比力(a+g)不能分辨出重力加速度g和运动加速度a。
一个加速度计只能测量一个方向的比力，测量矢量必须使用三个加速度计；测量值与安装方向、姿态有关，且受安装精度影响。
三个加速度计垂直安装可测量比力矢量，进而得到运动加速度。
3、加速度传感器测量倾角原理三轴加速度传感器以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态，把加速度传感器固定在物体的水平面上，当物体姿态改变时，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。
MEMS加速度传感器
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GrLoOuGpO3
电容式加速度传感器
电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极 是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发 生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加 速度)，还可以进一步测出压力。
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其他类型加速度传感器
3.热对流加速度计
一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和 多晶硅组成的热电偶组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度 或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电 偶组因感应温度而产生的电压是相同的。
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压阻式加速度传感器
工艺流程
(a)
在硅片两侧积淀氮化硅。
(b)
在硅片的前侧积淀第一层多晶硅牺牲层，然后制作第一层。
(c)
在硅片的前侧积淀第二层氮化硅，并在硅片后侧积淀第一层氮化硅。
(d)
制作前侧和后侧。
(e)
积淀并制作金属层（镍）。
(f)
各向异性腐蚀来得到沟槽。
压电式
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压电式加速度传感器是利用某些物 质如石英晶体的压电效应，在加速 度计受振时，质量块加在压电元件 上的力也随之变化。
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新 新 新 成熟
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其他类型加速度传感器
1.光波导加速度计
光波导加速度计的原理如下图所示：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部 分分别通入波导4和波导2，进入波导4的一束直接被探测器2探测，而进入波导2的 一束会经过一段微小的间隙后进入波导3，最终被探测器1探测到。有加速度时， 质量块会使得波导2弯曲，进而导至其与波导3的正对面积减小，使探测器1探测到 的光减弱。通过比较两个探测器检测到的信号即可求得加速度
加速度传感器介绍
加速度传感器介绍加速度传感器的简述北京航空航天⼤学仪器科学与光电⼯程学院夏伟强1.加速度传感器的意义加速度传感器是⼀种能够测量加速⼒的电⼦设备，⼴泛⽤于航空航天、武器系统、汽车、消费电⼦等。
通过加速度的测量，可以了解运动物体的运动状态。
可应⽤在控制，⼿柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，⼯程测振、地质勘探、铁路、桥梁、⼤坝的振动测试与分析；⿏标，⾼层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
2.加速度传感器的⼯作原理根据⽜顿第⼆定律：A(加速度)=F(⼒)/M(质量)。
只需测量作⽤⼒F就可以得到已知质量物体的加速度。
利⽤电磁⼒平衡这个⼒，就可以得到作⽤⼒与电流（电压）的对应关系，通过这个简单的原理来设计加速度传感器。
本质是通过作⽤⼒造成传感器内部敏感元件发⽣变形，通过测量其变形量并⽤相关电路转化成电压输出，得到相应的加速度信号。
3.加速度传感器主要技术指标a）量程。
⽐如测量车辆运动只需⼏⼗个g量程，但是测量武器系统的侵彻指标，就需要传感器的量程达10万g甚⾄更⼤。
b）灵敏度。
⼀般来说，越灵敏越好。
越灵敏的传感器对⼀定范围内的加速度变化更敏感，输出电压的变化也越⼤，这样就⽐较容易测量，从⽽获得更精确的测量值。
c）带宽。
主要指传感器可测量的有效频带。
对于⼀般只要测量倾⾓的应⽤，50HZ的带宽应该⾜够了，但是对于需要进⾏动态性能，⽐如振动，你会需要⼀个具有上百HZ带宽的传感器。
4.加速度传感器发展现状及发展趋势市场上占统治地位的加速度传感器是压电式、压阻式、电容式、谐振式等。
压阻式加速度传感器具有加⼯⼯艺简单，测量⽅法易⾏，等优点。
但是，温度效应严重，⼯作温度范围窄，并且灵敏度低，⼀般只有1mg左右，要继续提⾼灵敏度难度很⼤。
压电式加速度计信噪⽐⾼，灵敏度⾼，结构简单，但是信号处理电路较复杂，存在零漂现象不可避免，并且回零慢，不适宜连续测试。
微电容式加速度计具有结构简单、灵敏度⾼、动态特性好、抗过载能⼒⼤，易于集成，不易受温度影响，功耗低，但是，存在输出特性的⾮线性、寄⽣电容、分布电容对灵敏度的影响，以及信号处理电路复杂等问题。
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。
无人机传感器技术 压电式MEMS加速度计
4.压电式MEMS加速度计压电式MEMS加速度计根据用途分为多种结构，其中最常见的一类为纵向压缩型结构，其他压电加速度计都是在压缩型的基础上改装而来的。
1.结构组成压缩型压电加速度计主要是由压电元件、质量块、弹性元件等组成，如图2-36所示。
质量块作为敏感元件，能够感受外界的信号，通过螺栓、螺母和弹性元件对质量块预先加载，使之压紧在压电元件上。
这种结构既可以保证在作用力变化时，压电元件始终受到压力，也可以保证压电元件的电压与作用力呈线性关系。
施加预压紧力的原因在于，压电元件在加工时，其接触面不可能是绝对平坦，如果没有足够的压力，就不能保证均匀接触。
因此，接触电阻在最初阶段将不是常数，而是随着压力变化的。
需要注意的是，预紧力也不能太大，否则将会影响其灵敏度。
测量时将传感器基座与被测对象牢牢地紧固在一起，输出信号由压电元件产生的电荷在导线的引导下传入到转换电路。
1-基座；2-压电元件；3-质量块；4-弹性元件；5-螺母；6-螺栓；7-外壳；8-导线图2-36 结构组成2.工作原理自然界中某些物质，如石英、陶瓷等，在沿一定方向上受到外力的作用时，不仅会发生变形，且其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上产生正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。
在这过程中，机械能转换为电能，此现象也称为正压电效应，如图2-37a 所示。
相反，当在这些物质的极化方向上施加电场，其也会发生变形，电场去掉后，物质的变形随之消失，这种电能转换为机械能现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象，如图2-37b所示。
图2-37压电效应压电式加速度传感器就是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应工作的，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压电效应产生的放电电荷q 与作用力F 成正比例关系，即（2-63） 式中，α为压电材料的压电系数，C/N 。
加速度传感器参数说明【详解】
参数说明及工作原理：1.电荷灵敏度加速度计一般采用PZT压电陶瓷材料，利用晶体材料在承受一定方向的应力或形变时，其极化面会产生与应力相应的电荷，压电元件表面产生的电荷正比于作用力，因此有Q=dF其中，Q为电荷量，d为压电元件的压电常数，F为作用力。
加速度计的电荷灵敏度则是加速度计输出的电荷量与其输入的加速度值之比。
电荷量的单位取pC，加速度单位为m/s2。
（1g=9.8m/s2）2.电压灵敏度如果要换算加速度计的电压灵敏度，则可用下面公式得到SqSa = （v/ms-2）CaSq为电荷灵敏度，单位pC/ms-2；Ca为电容量，单位pF。
Sa电压灵敏度单位V。
3.频率响应（1）谐振频率，为加速度计安装时的共振频率，随产品附有谐振频率曲线（低频传感器不附图）。
（2）频率响应一般采用谐振频率的1/3—1/5。
加速度计频响在1/3谐振频率时，频响与参考灵敏度偏差≤1dB，（误差<10%）。
频响在1/5谐振频率时，频响与参考灵敏度≤ 0.5dB （误差<5%）。
我公司传感器频响均以1/3谐振频率计算。
4.最大横向灵敏度比加速度计受到垂直于安装轴线的振动时，仍有信号输出，即垂直于轴线的加速度灵敏度与轴线加速度之比称横向灵敏度。
5. 电荷输出的压电式加速度计配合电荷放大器，其系统的低频响应下限主要取决于放大器的频响。
二、安装技术及注意事项：（一）安装方式用加速度计进行测量，为使数据准确和使用方便，可使用多种方法安装，现介绍几种供选用。
1.螺钉安装RC6000系列加速度计有M5、M3安装孔及传感器自带螺栓等形式，以M5孔居多。
加速度计随产品附有安装螺钉。
使用螺钉安装，它的使用频率响应可近似原标定的频率响应，且称刚性安装。
螺钉安装是在允许打孔的被测物上沿振源轴线方向打孔攻丝。
2.粘接安装在被测物体不允许钻孔时，可使用各种粘接剂，如“502”、环氧树脂胶、双面粘胶带、橡皮泥。
应注意，前二种方法的使用频率接近刚性安装方法，后两种一般用于低频现场，且会使被测频率大大降低。
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基本原理与电容式微加速度计相同，结构不同。 敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与
基座相连，基座上表面布置有固定电极，敏感平板 下表面有相应的运动电极，形成检测电容当有加速 度作用时，不对称平板在惯性力作用下，将发生绕 扭转轴的转动。
当质量平板发生偏移时，可以利用电容的静 电力来调节平板的偏转角度，提高系统的测量范围， 改善系统的动态特性。
实际上一个典型的基本型加速度计包含∶质量块、 弹性件、阻尼元件和限位件。 F=ma=kxrel
这里k是弹性常数、xrel是相对于框体的位移。
3.基本工作原理及 工作特点
Dash pot:阻尼延迟器
3.基本工作原理及工 作特点
1、压阻式微加速度计
➢压 阻 效 应 ： 在一块半导体的某一轴向施加一定
基本工作原理及工 作特点
4、压电式微加速度计
➢压 电 效 应 ： 电介质在沿一定方向上受到外力而
变形时，其内部会产生极化现象，同 时在它的两个相对表面上出现正负相 反的电荷。
➢工 作 原 理 在弹性梁上覆盖一层压电材料膜，上电极和下
电极分别分布在压电材料膜的上表面和下表面上， 当有外界加速度口作用于敏感质量块时，弹性梁上 会产生应力大小变化，由于压电效应作用，器件结 构的上电极和下电极间会产生电压，由此可通过测 量电压（信号处理电路）的变化来得知外界加速度 的变化。
3.基本工作原理及工 作特点
2、电容式微加速度 计
➢优 点 ： ✓灵 敏 度 和 测 量 精 度 高 ✓稳 定 性 好 ✓温 度 漂 移 小 ✓功 耗 极 低 ✓过 载 保 护 能 力 较 强
➢缺 点 ： ✓读 出 电 路 复 杂 ✓易 受 寄 生 电 容 影 响 和 电 磁 干 扰
基本工作原理及工 作特点
的应力时，其电阻率产生变化的现象。
➢工 作 原 理 ： 当有加速度输入时, 悬臂梁在质量块受
到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的 压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由 于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的 检测电压值（信号处理电路）发生变化， 从而可以通过确定的数学模型推导出输入 加速度与输出电压值的关系。
压电式
根据压电效应，利用压
电膜压缩量来检测加速 度变化。
结构简单，频率响应范围 很快，有很好的线性度。
分辨率低，温漂较
大，压敏电阻制作 困难
隧道电 流式
利用隧道电流对位移变 化的敏感性测量加速度 变化。
极高灵敏度和线性度，非 常宽的频响范围，稳定性 好，可靠性高，抗干扰能 力强，温漂小。
信号噪声大，工作 电压高，加工困难， 成品率低。
3.基本工作原理及工 作特点
5、隧道效应型微加 速度计
➢优 点 ： ✓极 高 的 灵 敏 度 ✓易 检 测 ✓线 性 度 好 ✓温 漂 小 ✓抗 干 扰 能 力 强 ✓可 靠 性 高
➢缺 点 ： ✓隧 道 针 尖 制 作 比 较 复 杂 ✓工 艺 比 较 困 难 ， 成 品 率 低
4.总结：
类型
微机械体加工
敏感信号方式：
压阻式 压电式 电 容式
隧道电流型
热对流式
结构形式： 梳齿式 静电悬浮式
“跷跷板”摆式 “三明治”摆式
敏感轴数量： 单轴微机电式 双轴微机电式 三轴微机电式
3.基本工作原理及 工作特点
基本加速度计概念
通常加速度计包含一个质量块(proof mass， or Seismic mass)，然后测量质量块在加 速度作用下的位移、质量块作用在框架上的力 或者维持质量块位置所需要的力(即主动加速 度计，需要一个闭环控制系统)。测量作用在 质量块上的力(F=ma)或引起的位移有多种方 法，包括应变计、电容、表面波器件、光学方 法(干涉计)和隧道方法等。
3.基本工作原理及工 作特点
2、电容式微加速度计
➢基 本 原 理 位移变化→电容变化
➢工 作 原 理 质量块由弹性微梁支撑连接在基
体上, 检测电容的一个极板一般配置 在运动的质量块上, 一个极板配置在 固定的基体上。当有加速度作用时， 质量块发生位移，上下电容发生变化， 可以得到电容变化差值，进而得到加 速度。
➢隧 道 效 应 粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒 时，按照量子力学可以解出除了在势垒处的 反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在 势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子
贯穿势垒。
➢工 作 原 理 平板电极和隧道针尖电极距离达到一定
的条件，可以产生隧道电流。 悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块， 质量块在惯性力的作用下，位置将发生偏移， 这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，通
3.基本工作原理及 工作特点
4、压电式微加速度计
➢优 点 ： ✓结 构 比 较 简 单 ✓容 易 测 量
➢缺 点 ： ✓很 难 测 量 常 加 速 度 ✓温 度 系 数 较 大 ✓器 件 的 线 性 度 不 够 好 ✓压 电 材 料 价 格 比 较 昂 贵
3.基本工作原理及 工原理及工 作特点
1、压阻式微加速度计
➢最 早 出 现 的 微 加 速 度 计
➢优 点 ： ✓结 构 简 单 , 芯 片 的 制 作 相 对 容 易 ； ✓并 且 接 口 电 路 易 于 实 现 。
➢缺 点 : ✓温 度 系 数 比 较 大 , 对 温 度 敏 感 ; ✓灵 敏 度 比 较 低 ; ✓蠕 变 和 迟 滞 效 应 比 较 明 显 。
微加速度传感器
目录
1、微加速度计简介 2、微加速度计分类 3、基本工作原理及工作特点
4、总结
1.微加速度计简 介
✓MEMS技术的突出成 果
✓低成本，中低精度
✓民用领域
✓汽车碰撞检测，安全 气囊
✓军事领域
2.微加速度计 分类
有无反馈信号： 微型开环加速度计 微型闭环加速度计
加工方式： 微机械表面加工
谢谢观 看
原理
优点
缺点
根据压阻效应，利用扩 加工工艺简单，测量方法 温度效应严重，温
压阻式 散电阻的阻值变化来感 易行，测量范围宽，线性 度系数打，灵敏度
应加速度变化。
度好，重复生产性好。 低。
电容式
利用敏感质量块与固定
电极间距离变化来检测 加速度变化。
结效功性构应耗度简小小。单，。，灵差漂敏动移度式低相有，对较温较好度高线，读受电出寄磁电生干路电扰复容。杂影，响易和