MEMS惯性传感器技术概述
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加速度计是目前MEMS 技术商业化最成功的技术, 其他惯性器件, 如陀螺仪, 也开始大规模进入市场。本文概述了一些 MEMS 惯性器件的设计和工作原理。
加速度计
汽车工业。拥有提供读取功能和自检功能的集成电子设备, 其成本远远低于几十年前的加速度计。
MEMS 加速度计根据传感原理不同分为电式容、压阻式、电磁式、压电式、铁电式、光学式和隧道式。其中，电容式传感器元件由于本身简单, 对特殊材料没有要求, 功耗低, 温度稳定性好等特点成为最常用的类型。由于许多电容式传感器相对位移非线性的电容特性, 因此要用传感器中的反馈系统将信号转换为线性输出。输出可以是模拟、数字、与电源电压的比率, 也可以是任何类型的脉冲调制。当数据传输没有进一步降低噪声时, 具有数字输出的传感器非常方便。
在选择加速度计时需要考虑带宽、固有噪声电平、交叉轴灵敏度、漂移、线性度、动态范围、抗冲击能力和功耗等特性。谐振频率也很重要, 因为传感器的工作频段范围通常是其谐振频率的一部分, 这也决定了每 g 加速度的灵敏度和位移:
（dg ：每g的位移，M ：质量，ksp器件的弹簧常数，g = 9.8 m/s2， w0振动角频率）
一般来说, 传感元件的位移是传感过程中必不可少的一部分, 而 dg 是传感器开环增益的一部分, 因此对于任何一类传感器来说, 灵敏度和带宽之间往往存在很强的反比关系。
噪声。有很多因素会造成加速度计的噪声--传感器本身、读取电子、机械阻尼和所有电阻。当MEMS 传感器很小时, 必须考虑到设备机械电阻的约翰逊噪声, 而在较大的传感器中通常忽略了这一点。正如布朗运动会搅动微小的粒子, 在一个微小的 MOTES 组件上的它可能就是个巨大力量。布朗力如下:
引起检测质量块的布朗运动, xB:
这里 ksp弹簧常数 ksp 支持的检测质量块 M 的阻尼系数
D | = damping coefficient of proof mass M supported by spring constant |
求解产生相同运动的加速度 xB, 然后替换: 给出了g/hz 中的布朗等效加速度噪声: （公式4）
从公式4中我们可以看到, 一个大的质量和一个高 Q (低阻尼) 有助于实现低固有噪声电平。要在微机械传感器中获得较大的质量, 通常需要从传感器芯片上读出晶圆检测质量块厚度。为了获得绝对最小的噪声, 必须通过将检测质量块放置真空中来降低阻尼读取纯弹性弹簧常数。反馈系统可防止传感器在谐振频率处振荡。
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