微機電係統 (MEMS) 操作

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-10-09 15:02:37

在微機電係統 (MEMS) 技術出現之前，慣性傳(chuan) 感器都是高成本的精密儀(yi) 器，通常用於(yu) 高端應用。隨著 MEMS 技術的成熟，低成本固態芯片級慣性傳(chuan) 感器已成為(wei) 大型高端慣性傳(chuan) 感器的替代品。 MEMS 進入慣性傳(chuan) 感市場，提供了廣泛的性能能力，並使慣性傳(chuan) 感技術能夠比以往應用於(yu) 更多的應用。

MEMS 加速度計

加速度計是負責測量慣性加速度或速度隨時間變化的主要傳(chuan) 感器，有多種不同類型，包括機械加速度計、石英加速度計和 MEMS 加速度計。 MEMS 加速度計本質上是一個(ge) 由彈簧懸掛的質量塊，如圖 1.6a 所示。該質量稱為(wei) 檢驗質量，允許質量移動的方向稱為(wei) 靈敏度軸。

當加速度計沿靈敏度軸受到線性加速度時，加速度會(hui) 導致質量塊向一側(ce) 移動，偏轉量與(yu) 加速度成正比。

2-00 2-01

(a) 水平 (b) 垂直

圖：1.6 簡單的加速度計模型

現在考慮旋轉加速度計，使靈敏度軸與(yu) 重力矢量對齊，如圖 1.6b 所示。在這種情況下，重力作用在檢驗質量上，導致其向下偏轉。因此，加速度計可以測量運動引起的線性加速度以及重力引起的偽(wei) 加速度。由重力引起的加速度被稱為(wei) 偽(wei) 加速度，因為(wei) 它實際上不會(hui) 導致速度或位置的變化。

在圖 1.6b 所示的坐標係中，重力引起的偽(wei) 加速度測量為(wei) -1 g，因為(wei) 重力對加速度計的影響與(yu) 負 z 軸運動產(chan) 生的加速度相同。還需要注意的是，在自由落體(ti) 過程中，加速度計中的彈簧不會(hui) 偏轉，因此傳(chuan) 感器報告的加速度為(wei) 零，但實際加速度不為(wei) 零。

陀螺儀(yi) 是一種慣性傳(chuan) 感器，用於(yu) 測量物體(ti) 相對於(yu) 慣性參考係的角速率。 MEMS 陀螺儀(yi) 通過應用科裏奧利效應理論來測量角速率，科裏奧利效應是指作用於(yu) 相對於(yu) 旋轉框架運動的物體(ti) 的慣性力。為(wei) 了更好地理解，請考慮懸掛在彈簧上的質量，如圖 1.7a 所示。該質量在 x 軸上具有驅動力，導致其在 x 軸上快速振蕩。當以角速度運動時， ω，圍繞 z 軸應用。這導致質量體(ti) 在 y 軸上受到科裏奧利力的作用，並且由此產(chan) 生的位移由電容傳(chuan) 感結構測量。

2-01 2-02

(a) 單一質量 (b) 音叉配置

圖：1.7 簡單陀螺儀(yi) 模型

對該科裏奧利力的快速推導可以提供進一步的清晰度。質量塊的位置，米，在主體(ti) 框架中由方程給出1:

2-03

然後，身體(ti) 框架中質量的慣性速度被定義(yi) 為(wei) 位置加上旋轉引起的切向速度的導數。

2-04

身體(ti) 框架中質量的慣性加速度可以描述為(wei) 速度加上旋轉引起的切向加速度的導數。

2-05

方程中的第一個(ge) 元素3表示驅動軸所經曆的加速度，該加速度由陀螺儀(yi) 電子設備主動控製。方程中的第二個(ge) 元素3表示來自陀螺儀(yi) 傳(chuan) 感軸的加速度。根據牛頓第二運動定律，感應方向上的力的總和等於(yu) 塊質量的乘積，m，以及感應方向的加速度，r¡y:

2-06

出於(yu) 說明目的，如果質量從(cong) y 軸上的靜止開始（y=y˙=y¡= 0)，y 軸上的力的總和減少到隻有科裏奧利項，Fy= 2 m ωx˙。由於(yu) 質量在 x 軸上以高頻（10 kHz）驅動，因此x˙是顯著的，並且科裏奧利效應會(hui) 導致 y 軸上與(yu) 角速率成比例的顯著振蕩位移。

通常，MEMS 陀螺儀(yi) 使用音叉配置，其中兩(liang) 個(ge) 質量塊通過彈簧連接，如圖 1.7b 所示。當施加角速率時，每個(ge) 質量上的科裏奧利力沿相反方向作用，並且由此產(chan) 生的電容變化與(yu) 角速度成正比。然而，當施加線性加速度時，兩(liang) 個(ge) 質量塊沿相同方向移動，導致電容沒有變化並且測量的角速率為(wei) 零。這種配置最大限度地降低了陀螺儀(yi) 對衝(chong) 擊、振動和傾(qing) 斜等線性加速度的敏感度。

MEMS 磁力計

磁力計是一種測量磁場強度和方向的傳(chuan) 感器。雖然磁力計有許多不同類型，但大多數 MEMS 磁力計依靠磁阻來測量周圍磁場。磁阻磁力計由坡莫合金組成，其電阻會(hui) 因磁場的變化而變化。通常，MEMS 磁力計用於(yu) 測量局部磁場，該磁場由地球磁場以及附近物體(ti) 產(chan) 生的任何磁場組合而成。

2-07 2-08

(a) 標準偶極磁鐵 (b) 地球磁場

圖：1.8 地球磁場的偶極子近似

如圖 1.8 所示，地球磁場是一個(ge) 自我維持的磁場，類似於(yu) 磁偶極子，地磁極稍微偏離地理北極和南極。該磁場的特征是其強度和方向在地球上各不相同，並且會(hui) 隨著時間的推移而變化。

地球磁場的方向包含水平分量和垂直分量，並且通常使用磁傾(qing) 角和磁偏角來描述。磁傾(qing) 角描述了地球磁場線與(yu) 水平麵之間的角度。在地球磁極處，磁場是垂直的，傾(qing) 角為(wei) 90°，而地球磁場在赤道處是水平的，傾(qing) 角為(wei) 0°。磁偏角用於(yu) 解釋地球的磁北極與(yu) 真北或地球的地理北極不在同一位置的事實，並且被表征為(wei) 這兩(liang) 個(ge) 位置之間相對於(yu) 點的角度的測量。