MEMS陀螺仪与加速度传感器

1、MEMS陀螺仪与加速度传感器陀螺仪与加速度传感器 加速度传感器就是利用了其内部的加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输关系，就可以将加速度转化成电压输出。出。 MEMS陀螺仪与加速度传感器陀螺仪与加速度传感器 高速旋转的刚体称为陀螺高速旋转的刚体称为陀螺用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴性空间绕正交于自转轴的一

2、个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。螺仪。 陀螺仪陀螺仪加速度计加速度计？ ？ ？ ？陀螺仪与加速度传感器陀螺仪与加速度传感器陀螺仪与加速度传感器陀螺仪与加速度传感器 MEMS是微机电系统的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空

3、微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS 虽然都是实现同种功能、MEMS陀螺仪有着体积小，耗能低、最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS MEMS陀螺仪多数采用一种调音叉结构。这种结构由两个振动并不断地陀螺仪多数采用一

4、种调音叉结构。这种结构由两个振动并不断地做反向运动的物体组成，如图做反向运动的物体组成，如图2 2所示。当施加角速率时，每个物体上的所示。当施加角速率时，每个物体上的科里科里奥效应奥效应产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号；如果是数字陀螺仪，则如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号；如果是数字陀螺仪，则转换成最低有效位。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同转换成最低有效位。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同一方向运动。因此，不会检测到电

5、容变化。一方向运动。因此，不会检测到电容变化。 makxx cx mrrr MEMS陀螺仪传感器基本原理MEMS陀螺仪利用科里奥利力旋转，物体在有径向运动时所受的切向力，右面是导出科里奥利力的方法 科里奥利效应: (地转偏向力) 如果一个物体是静止的，或者相对于某一固定点作恒速运动，那么，在这个如果一个物体是静止的，或者相对于某一固定点作恒速运动，那么，在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如果你想从物体一端的物体上运动是不会出现什么问题的。如果你想从物体一端的A A点沿着一条直线走点沿着一条直线走到另一端的到另一端的B B点，点， 你在走的过程中不会感到有任何困难。你在走的过程中不会感到有任

6、何困难。 但是，如果一个物体的不同部分以不同的速度运动，那么，情况就大不但是，如果一个物体的不同部分以不同的速度运动，那么，情况就大不一样了，假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台。整个平台的一样了，假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台。整个平台的整体在旋转，但在中心附近的一点整体在旋转，但在中心附近的一点画画出一个小圈，因而在缓慢地运动，而靠近外出一个小圈，因而在缓慢地运动，而靠近外缘的一点则画出一个大圈，因缘的一点则画出一个大圈，因而在而在快速地运动。快速地运动。 科里奥利效应： 假定你站在中心附近的那个点上，想要直接从中心出发假定你站在中心附近的那个点上，想要直

7、接从中心出发的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发点上，你取得了该点的速度，缓慢地运动。但是，当你向点上，你取得了该点的速度，缓慢地运动。但是，当你向外走外走 时，惯性效应使你保持缓慢运动，不过，当你越往时，惯性效应使你保持缓慢运动，不过，当你越往外走的时候，你脚下的台面转动得越快：你本身的慢速和外走的时候，你脚下的台面转动得越快：你本身的慢速和台面的快速的结合，使你觉得你在被推向与旋转运动相反台面的快速的结合，使你觉得你在被推向与旋转运动相反的那个方向去。的那个方向去。 如果旋转游戏台是在反时针方向转动，你就会发现，当如果旋转游戏

8、台是在反时针方向转动，你就会发现，当你向外走时，你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲。你向外走时，你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲。 如果你从靠近外缘的一点出发向内行进，你就会保持着如果你从靠近外缘的一点出发向内行进，你就会保持着 出发点的快速运动，但你脚下的台面运动得越来越慢。因出发点的快速运动，但你脚下的台面运动得越来越慢。因此，你会觉得你在旋转方向上被越推越远。如果旋转游戏此，你会觉得你在旋转方向上被越推越远。如果旋转游戏台是逆时针方向运动，那么，你的路线会再次越来越明显台是逆时针方向运动，那么，你的路线会再次越来越明显地顺时针方向弯曲。地顺时针方向弯曲。 MEMS加速度传感器基本原理m

9、加速度测量方向读出传感器壳体检测质量阻尼器弹簧mk0质量块运动方程质量块运动方程无阻尼固有频率无阻尼固有频率mkc221Q202220) / ( )(1) () () (QAXHr拉氏变换得传递函数的幅值和拉氏变换得传递函数的幅值和相位分别为相位分别为22001tanQ阻尼比阻尼比品质因子品质因子 传递函数幅值由图可见，为提高灵敏度，由图可见，为提高灵敏度，需要降低固有频率。需要降低固有频率。降低固有频率有两个方案：降低固有频率有两个方案：降低刚度或增大质量。降低刚度或增大质量。MEMS加速度传感器基本原理 在单位阶跃加速度在单位阶跃加速度 作用下的响应为作用下的响应为 0100)(ttta由

10、图可见，对于开环由图可见，对于开环加速度传感器，为提加速度传感器，为提高响应速度，传感器高响应速度，传感器应该具有较大的阻尼应该具有较大的阻尼比（即小品质因子）。比（即小品质因子）。若采用力反馈控制，若采用力反馈控制，由于相对位移基本被由于相对位移基本被控制在零位，可以采控制在零位，可以采用小阻尼或大品质因用小阻尼或大品质因子。子。其中其中技术成熟的技术成熟的MEMS加速度计分为三种加速度计分为三种压电式压电式容感式容感式热感式热感式压电式压电式 压电式压电式MEMSMEMS加速度计运用的是加速度计运用的是压电效应压电效应，在其内部有，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生

11、压一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。 由于压电式由于压电式MEMSMEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式常情况下，压电式MEMSMEMS加速度计只能感应到加速度计只能感应到“动态动态”加速加速度，而度，而不能感应到不能感应到“静态静态”加速度加速度，也就是我们所说的，也就是我们所说的重重力加速度力加速度。而容感式和热感式既能感应。而容感式和热感式既能感应“动态动态”加速度，加速度，又能感应又能感应“静态静态”加速度。加速度。 压电式压电式容感

12、式容感式 容感式容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和改变平板电容两极的间距和正对面积正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。，通过测量电容变化量来计算加速度。 热感式热感式MEMSMEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个央有一个加热体加热体，周边是，周边是温度传感器温度传感器，里面是密闭的气，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内

13、部形成一个腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热热气团气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性，性，热气团的移动形成的热场变化热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速让感应器感应到加速度值。度值。热感式热感式 陀螺仪用于测量方向，加速度传感器用于测量位移，陀螺仪用于测量方向，加速度传感器用于测量位移，两个结合起来就可以直接测量物体运动的矢量了，一切运两个结合起来就可以直接测量物体运动的矢量了，一切运动的物体借助自身的能力就可以确认自己的坐标，而不必动的物体借助自身的能力就可以确认自己的坐标，而不必要借助于要借助于GPS了，然而

14、这只是他们功能的一小小部分，了，然而这只是他们功能的一小小部分，还有更多的功能能够实现还有更多的功能能够实现!等待MEMSMEMS陀螺仪与加速度传感器目前还不能用于哪个地方？陀螺仪与加速度传感器目前还不能用于哪个地方？C.C.耳机耳机 B.手机A.飞机D.相机 Rs. 20,000,000MEMS陀螺仪与加速度传感器目前还不能用于哪个地方？陀螺仪与加速度传感器目前还不能用于哪个地方？A、飞机 B、手机 C、耳机 D、相机恭喜你！答对了三、稳定平台的应用三、稳定平台的应用一、机器平衡的应用一、机器平衡的应用二、操作装置的应用二、操作装置的应用四、安全装置的应用四、安全装置的应用五、精确导航应用五

15、、精确导航应用六、点线接触机器的应用六、点线接触机器的应用MEMS陀螺仪与加速度传感器陀螺仪与加速度传感器飞机上有陀螺仪，其安装在飞机驾驶舱的仪表盘上。飞机上有陀螺仪，其安装在飞机驾驶舱的仪表盘上。陀螺仪在飞行时起的主要作用并不是稳定飞机，而陀螺仪在飞行时起的主要作用并不是稳定飞机，而是是指示飞机飞行姿态指示飞机飞行姿态，也叫，也叫姿态仪姿态仪，告诉你飞机仰，告诉你飞机仰角，俯角，倾角（飞机空中转向时两翼与水平面的角，俯角，倾角（飞机空中转向时两翼与水平面的夹角）。由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，夹角）。由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，所以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握所

16、以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行。一、机器平衡的应用一、机器平衡的应用一、机器平衡的应用一、机器平衡的应用运用到平衡装置的还有卫星、运用到平衡装置的还有卫星、轮船、潜艇、武器等等轮船、潜艇、武器等等 因为陀螺仪能够感应因为陀螺仪能够感应到手机到手机6个自由度的变化，个自由度的变化，所以对手机的任何移动都所以对手机的任何移动都会被传感器记录下来，接会被传感器记录下来，接着通过显示器输出，就可着通过显示器输出，就可以进行逼真的游戏操作，以进行逼真的游戏操作，使玩家犹如置身于游戏世使玩家犹如置身于游

17、戏世界之中界之中 。二、操作装置的应用二、操作装置的应用1、手机软件、游戏的应用、手机软件、游戏的应用点击这里观看手机陀螺仪演示视频点击这里观看手机陀螺仪演示视频 二、操作装置的应用二、操作装置的应用2、空中鼠标操作应用、空中鼠标操作应用 陀螺仪空中鼠标方案，可以使陀螺仪空中鼠标方案，可以使传统鼠标脱离对桌面的依赖，升级传统鼠标脱离对桌面的依赖，升级为空中鼠标，实现悬空为空中鼠标，实现悬空3D操作，操作，只需轻挥手腕，指针即可随意移动，只需轻挥手腕，指针即可随意移动，轻松控制电脑。目前我们空中鼠标轻松控制电脑。目前我们空中鼠标解决方案，采用领先的陀螺仪鼠标解决方案，采用领先的陀螺仪鼠标技术，利

18、用技术，利用MEMS（微电子机械系（微电子机械系统）传感器获取手腕在空中的位移统）传感器获取手腕在空中的位移数据，结合数据，结合MCU（单片机），（单片机），RF系统，最终实现指针灵敏运动，对系统，最终实现指针灵敏运动，对电脑自如操控。电脑自如操控。 点击这里观看挥挥鼠点击这里观看挥挥鼠M3鼠标演示视频鼠标演示视频 三、稳定平台的应用三、稳定平台的应用1、相机、摄像机的光学防抖、相机、摄像机的光学防抖 光学防抖通过镜头组光学防抖通过镜头组实现防抖。依靠磁力包裹实现防抖。依靠磁力包裹悬浮镜头，从而有效克服悬浮镜头，从而有效克服因相机振动产生的图像模因相机振动产生的图像模糊，这对于大变焦镜头的糊，

19、这对于大变焦镜头的数码相机所能起到的效果数码相机所能起到的效果更加明显。通常，镜头内更加明显。通常，镜头内的陀螺仪侦测到微小的移的陀螺仪侦测到微小的移动，并且会将信号传至微动，并且会将信号传至微处理器，处理器，微处理器微处理器立即计立即计算需要补偿的位移量，然算需要补偿的位移量，然后通过补偿镜片组，根据后通过补偿镜片组，根据镜头的抖动方向及位移量镜头的抖动方向及位移量加以补偿，从而有效的克加以补偿，从而有效的克服因相机的振动产生的影服因相机的振动产生的影像模糊像模糊 三、稳定平台的应用三、稳定平台的应用2、锁定方向和目标、锁定方向和目标 卫星拍摄、航空拍摄要求摄像机要始终对着拍摄目标，但是因为

20、卫星拍摄、航空拍摄要求摄像机要始终对着拍摄目标，但是因为卫星和飞机都是运动的、这里就要用到陀螺仪的稳定平台作用了，当卫星和飞机都是运动的、这里就要用到陀螺仪的稳定平台作用了，当卫星和飞机有位置的改变时，传感器立即通过控制电机对拍摄平台进卫星和飞机有位置的改变时，传感器立即通过控制电机对拍摄平台进行修正，使摄像机始终锁定一个方向。现在很多尖端武器上面都用陀行修正，使摄像机始终锁定一个方向。现在很多尖端武器上面都用陀螺稳定器，也是陀螺稳定平台，比如快速行进中的坦克，无论路面有螺稳定器，也是陀螺稳定平台，比如快速行进中的坦克，无论路面有多颠簸，炮口都可以不跟随颠簸，这样坦克就可以在行进当中准确开多颠

21、簸，炮口都可以不跟随颠簸，这样坦克就可以在行进当中准确开炮。同样军舰也是如此。炮。同样军舰也是如此。 四、安全装置的应用四、安全装置的应用 MEMSMEMS微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状态以阻止车祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测态以阻止车

22、祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在这种系统主要安装于高端汽车上。这种系统主要安装于高端汽车上。 1、汽车上的、汽车上的主动控制系统主动控制系统 四、安全装置的应用四、安全装置的应用 目前最新目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了手提电脑里就内置了MEMS加加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根速度计，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

23、能的选择关闭硬盘还是让其继据这些振动数据，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。使用了这项技术。2、笔记本硬盘保护装置、笔记本硬盘保护装置 五、点线接触机器的应用五、点线接触机器的应用1、交通工具、交通工具 因为陀螺仪的方向敏感能力因为陀螺仪的方向敏感能力极高，利用陀螺仪控制轮子，从而极

24、高，利用陀螺仪控制轮子，从而保持平衡保持平衡 ，具有运动灵活、智能具有运动灵活、智能控制、操作简单、节省能源、绿色控制、操作简单、节省能源、绿色环保、转弯半径为环保、转弯半径为0 0等优点等优点 五、点线接触机器的应用五、点线接触机器的应用2、机器人、机器人 利用陀螺仪就很好的解决机利用陀螺仪就很好的解决机器人的平衡性问题，使机器人不再器人的平衡性问题，使机器人不再那么容易摔倒，日后是机器人发展那么容易摔倒，日后是机器人发展的主流的主流 六、精确导航的应用六、精确导航的应用 集成电子罗盘集成电子罗盘MEMSMEMS传感器可传感器可以使以使GPSGPS导航更精确，导航更精确，Sensor Sensor PlatformsPlatforms公司和其它供应商都在公司和其它供应商都在开发集成有开发集成有MEMSMEMS航位推算功能的系航位推算功能的系统，这样你的导航系统就统，这样你的导航系统就可以跟随可以跟随你进入建筑物内（甚至是地铁）而你进入建筑物内（甚至是地铁）而不迷路不迷路。其它的开发者在开发把。其它的开发者在开发把GPSGPS、相机、相机、MEMSMEMS传感器集成在一传感器集成在一个平台，这样导航系统不但知道使个平台，这样导航系统不但知道使用者身处何处，还知道使用者看到用者身处何处，还知道使用者看到些什么，这样屏幕上的数据交互以些什么，这样屏幕上的