MEMS陀螺仪与加速度传感器PPT文件格式下载.ppt

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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。

MEMSMEMS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22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，不会检测到电容变化。

一方向运动。

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AA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BB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由图可见，对于开环加由图可见，对于开环加速度传感器，为提高响速度传感器，为提高响应速度，传感器应该具应速度，传感器应该具有较大的阻尼比（即小有较大的阻尼比（即小品质因子）。

品质因子）。

若采用力反馈控制，由若采用力反馈控制，由于相对位移基本被控制于相对位移基本被控制在零位，可以采在零位，可以采用小阻用小阻尼或大品质因子。

尼或大品质因子。

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，从单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。

加速度的变化带个单元来看，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动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正改变平板电容两极的间距和正对面积对面积，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，然而这只是他们功能的一小小部分，还了，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？

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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，而是是指示飞机指示飞机飞行姿态飞行姿态，也叫，也叫姿态仪姿态仪，告诉你飞机，告诉你飞机仰仰角角，俯角俯角，倾角（飞机空中转向时两翼与水平面的，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。

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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，利用技术，利用MEMS（微电子机械系（微电子机械系统）