技術成熟的MEMS加速度計分為三種:壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計運用的是壓電效應,在其內(nèi)部有一個剛體支撐的質(zhì)量塊,有運動的情況下質(zhì)量塊會產(chǎn)生壓力,剛體產(chǎn)生應變,把加速度轉變成電信號輸出。
容感式MEMS加速度計內(nèi)部也存在一個質(zhì)量塊,從單個單元來看,它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積,通過測量電容變化量來計算加速度。Freescale的MMA7660FC這一款加速度計(3-Axis Orientation/Motion Detection Sensor),這一款芯片也是利用這一原理設計的。datasheet的第9頁介紹了其工作原理:當芯片有向右的加速度時,中間的活動質(zhì)量快相對于另外兩塊電容板向左移動,這兩平行板電容器的電容就發(fā)生了變化,從而測量出芯片運動的加速度。
MEMS陀螺儀MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。假設旋轉物體有徑向速度Vr,那么將會產(chǎn)生切向科里奧利加速度
從上面的公式中,我們可以看到科里奧利加速度的大小是正比于物體旋轉的角速度。如果我們在切向安裝一個加速度計測出科里奧利加速度,那么我們就可以間接得到物體旋轉的角速度。實際的MEMS陀螺儀的設計如下圖。如果物體在圓盤上沒有徑向運動,科里奧利力就不會產(chǎn)生。因此,在MEMS陀螺儀的設計上,這個物體被驅動,不停地來回做徑向運動或者震蕩,與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化,并有可能使物體在橫向作微小震蕩,相位正好與驅動力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運動(有點象加速度計中的自測試模式),橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化(就象加速度計測量加速度)。因為科里奧利力正比于角速度,所以由電容的變化可以計算出角速度。
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原文標題:加速度計和陀螺儀原理
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