MEMS陀螺儀與加速度傳感器

1、MEMS陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器 加速度傳感器就是利用了其內部的加速度傳感器就是利用了其內部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產生電壓，只要計算由于這個變形會產生電壓，只要計算出產生電壓和所施加的加速度之間的出產生電壓和所施加的加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出。出。 MEMS陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器 高速旋轉的剛體稱為陀螺高速旋轉的剛體稱為陀螺用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸性空間繞正交于自轉軸的一

2、個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。螺儀。 陀螺儀陀螺儀加速度計加速度計？ ？ ？ ？陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器 MEMS是微機電系統(tǒng)的縮寫。MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現(xiàn)代信息技術的最新成果的基礎上發(fā)展起來的高科技前沿學科。 MEMS技術的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產業(yè)，采用MEMS技術制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構件、微機械光學器件、真空

3、微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS 雖然都是實現(xiàn)同種功能、MEMS陀螺儀有著體積小，耗能低、最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。采用與集成電路（IC）類似的生成技術，可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝 ，進行大批量、低成本生產，使性價比相對于傳統(tǒng)“機械”制造技術大幅度提高。 MEMS MEMS陀螺儀多數(shù)采用一種調音叉結構。這種結構由兩個振動并不斷地陀螺儀多數(shù)采用一

4、種調音叉結構。這種結構由兩個振動并不斷地做反向運動的物體組成，如圖做反向運動的物體組成，如圖2 2所示。當施加角速率時，每個物體上的所示。當施加角速率時，每個物體上的科里科里奧效應奧效應產生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率成正比，產生相反方向的力，從而引起電容變化。電容差值與角速率成正比，如果是模擬陀螺儀，電容差值轉換成電壓輸出信號；如果是數(shù)字陀螺儀，則如果是模擬陀螺儀，電容差值轉換成電壓輸出信號；如果是數(shù)字陀螺儀，則轉換成最低有效位。如果在兩個物體上施加線性加速度，這兩個物體則向同轉換成最低有效位。如果在兩個物體上施加線性加速度，這兩個物體則向同一方向運動。因此，不會檢測到電

5、容變化。一方向運動。因此，不會檢測到電容變化。 makxx cx mrrr MEMS陀螺儀傳感器基本原理MEMS陀螺儀利用科里奧利力旋轉，物體在有徑向運動時所受的切向力，右面是導出科里奧利力的方法 科里奧利效應: (地轉偏向力) 如果一個物體是靜止的，或者相對于某一固定點作恒速運動，那么，在這個如果一個物體是靜止的，或者相對于某一固定點作恒速運動，那么，在這個物體上運動是不會出現(xiàn)什么問題的。如果你想從物體一端的物體上運動是不會出現(xiàn)什么問題的。如果你想從物體一端的A A點沿著一條直線走點沿著一條直線走到另一端的到另一端的B B點，點， 你在走的過程中不會感到有任何困難。你在走的過程中不會感到有任

6、何困難。 但是，如果一個物體的不同部分以不同的速度運動，那么，情況就大不但是，如果一個物體的不同部分以不同的速度運動，那么，情況就大不一樣了，假定有一個旋轉游戲臺或者任何一個繞其中心旋轉的平臺。整個平臺的一樣了，假定有一個旋轉游戲臺或者任何一個繞其中心旋轉的平臺。整個平臺的整體在旋轉，但在中心附近的一點整體在旋轉，但在中心附近的一點畫畫出一個小圈，因而在緩慢地運動，而靠近外出一個小圈，因而在緩慢地運動，而靠近外緣的一點則畫出一個大圈，因緣的一點則畫出一個大圈，因而在而在快速地運動。快速地運動。 科里奧利效應： 假定你站在中心附近的那個點上，想要直接從中心出發(fā)假定你站在中心附近的那個點上，想要直

7、接從中心出發(fā)的一條直線上走向靠近外緣的那個點。在中心附近的出發(fā)的一條直線上走向靠近外緣的那個點。在中心附近的出發(fā)點上，你取得了該點的速度，緩慢地運動。但是，當你向點上，你取得了該點的速度，緩慢地運動。但是，當你向外走外走 時，慣性效應使你保持緩慢運動，不過，當你越往時，慣性效應使你保持緩慢運動，不過，當你越往外走的時候，你腳下的臺面轉動得越快：你本身的慢速和外走的時候，你腳下的臺面轉動得越快：你本身的慢速和臺面的快速的結合，使你覺得你在被推向與旋轉運動相反臺面的快速的結合，使你覺得你在被推向與旋轉運動相反的那個方向去。的那個方向去。 如果旋轉游戲臺是在反時針方向轉動，你就會發(fā)現(xiàn)，當如果旋轉游戲

8、臺是在反時針方向轉動，你就會發(fā)現(xiàn)，當你向外走時，你的路線越來越明顯地順時針方向彎曲。你向外走時，你的路線越來越明顯地順時針方向彎曲。 如果你從靠近外緣的一點出發(fā)向內行進，你就會保持著如果你從靠近外緣的一點出發(fā)向內行進，你就會保持著 出發(fā)點的快速運動，但你腳下的臺面運動得越來越慢。因出發(fā)點的快速運動，但你腳下的臺面運動得越來越慢。因此，你會覺得你在旋轉方向上被越推越遠。如果旋轉游戲此，你會覺得你在旋轉方向上被越推越遠。如果旋轉游戲臺是逆時針方向運動，那么，你的路線會再次越來越明顯臺是逆時針方向運動，那么，你的路線會再次越來越明顯地順時針方向彎曲。地順時針方向彎曲。 MEMS加速度傳感器基本原理m

9、加速度測量方向讀出傳感器殼體檢測質量阻尼器彈簧mk0質量塊運動方程質量塊運動方程無阻尼固有頻率無阻尼固有頻率mkc221Q202220) / ( )(1) () () (QAXHr拉氏變換得傳遞函數(shù)的幅值和拉氏變換得傳遞函數(shù)的幅值和相位分別為相位分別為22001tanQ阻尼比阻尼比品質因子品質因子 傳遞函數(shù)幅值由圖可見，為提高靈敏度，由圖可見，為提高靈敏度，需要降低固有頻率。需要降低固有頻率。降低固有頻率有兩個方案：降低固有頻率有兩個方案：降低剛度或增大質量。降低剛度或增大質量。MEMS加速度傳感器基本原理 在單位階躍加速度在單位階躍加速度 作用下的響應為作用下的響應為 0100)(ttta由

10、圖可見，對于開環(huán)由圖可見，對于開環(huán)加速度傳感器，為提加速度傳感器，為提高響應速度，傳感器高響應速度，傳感器應該具有較大的阻尼應該具有較大的阻尼比（即小品質因子）。比（即小品質因子）。若采用力反饋控制，若采用力反饋控制，由于相對位移基本被由于相對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質因用小阻尼或大品質因子。子。其中其中技術成熟的技術成熟的MEMS加速度計分為三種加速度計分為三種壓電式壓電式容感式容感式熱感式熱感式壓電式壓電式 壓電式壓電式MEMSMEMS加速度計運用的是加速度計運用的是壓電效應壓電效應，在其內部有，在其內部有一個剛體支撐的質量塊，有運動的情況下質量塊會產生

11、壓一個剛體支撐的質量塊，有運動的情況下質量塊會產生壓力，剛體產生應變，把加速度轉變成電信號輸出。力，剛體產生應變，把加速度轉變成電信號輸出。 由于壓電式由于壓電式MEMSMEMS加速度計內部有剛體支撐的存在，通加速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式常情況下，壓電式MEMSMEMS加速度計只能感應到加速度計只能感應到“動態(tài)動態(tài)”加速加速度，而度，而不能感應到不能感應到“靜態(tài)靜態(tài)”加速度加速度，也就是我們所說的，也就是我們所說的重重力加速度力加速度。而容感式和熱感式既能感應。而容感式和熱感式既能感應“動態(tài)動態(tài)”加速度，加速度，又能感應又能感應“靜態(tài)靜態(tài)”加速度。加速度。 壓電式壓電式容感

12、式容感式 容感式容感式MEMS加速度計內部也存在一個質量塊，從加速度計內部也存在一個質量塊，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量塊的移動從而帶動活動質量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和改變平板電容兩極的間距和正對面積正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。，通過測量電容變化量來計算加速度。 熱感式熱感式MEMSMEMS加速度計內部沒有任何質量塊，它的中加速度計內部沒有任何質量塊，它的中央有一個央有一個加熱體加熱體，周邊是，周邊是溫度傳感器溫度傳感器，里面是密閉的氣，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內

13、部形成一個腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個熱熱氣團氣團，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性，性，熱氣團的移動形成的熱場變化熱氣團的移動形成的熱場變化讓感應器感應到加速讓感應器感應到加速度值。度值。熱感式熱感式 陀螺儀用于測量方向，加速度傳感器用于測量位移，陀螺儀用于測量方向，加速度傳感器用于測量位移，兩個結合起來就可以直接測量物體運動的矢量了，一切運兩個結合起來就可以直接測量物體運動的矢量了，一切運動的物體借助自身的能力就可以確認自己的坐標，而不必動的物體借助自身的能力就可以確認自己的坐標，而不必要借助于要借助于GPS了，然而

14、這只是他們功能的一小小部分，了，然而這只是他們功能的一小小部分，還有更多的功能能夠實現(xiàn)還有更多的功能能夠實現(xiàn)!等待MEMSMEMS陀螺儀與加速度傳感器目前還不能用于哪個地方？陀螺儀與加速度傳感器目前還不能用于哪個地方？C.C.耳機耳機 B.手機A.飛機D.相機 Rs. 20,000,000MEMS陀螺儀與加速度傳感器目前還不能用于哪個地方？陀螺儀與加速度傳感器目前還不能用于哪個地方？A、飛機 B、手機 C、耳機 D、相機恭喜你！答對了三、穩(wěn)定平臺的應用三、穩(wěn)定平臺的應用一、機器平衡的應用一、機器平衡的應用二、操作裝置的應用二、操作裝置的應用四、安全裝置的應用四、安全裝置的應用五、精確導航應用五

15、、精確導航應用六、點線接觸機器的應用六、點線接觸機器的應用MEMS陀螺儀與加速度傳感器陀螺儀與加速度傳感器飛機上有陀螺儀，其安裝在飛機駕駛艙的儀表盤上。飛機上有陀螺儀，其安裝在飛機駕駛艙的儀表盤上。陀螺儀在飛行時起的主要作用并不是穩(wěn)定飛機，而陀螺儀在飛行時起的主要作用并不是穩(wěn)定飛機，而是是指示飛機飛行姿態(tài)指示飛機飛行姿態(tài)，也叫，也叫姿態(tài)儀姿態(tài)儀，告訴你飛機仰，告訴你飛機仰角，俯角，傾角（飛機空中轉向時兩翼與水平面的角，俯角，傾角（飛機空中轉向時兩翼與水平面的夾角）。由于陀螺儀在工作狀態(tài)下，保持絕對姿態(tài)，夾角）。由于陀螺儀在工作狀態(tài)下，保持絕對姿態(tài)，所以可以指示飛機飛行時姿態(tài)，以保證飛行員掌握所

16、以可以指示飛機飛行時姿態(tài)，以保證飛行員掌握以及控制飛機的飛行姿態(tài)，保證飛機安全，正常飛行以及控制飛機的飛行姿態(tài)，保證飛機安全，正常飛行。一、機器平衡的應用一、機器平衡的應用一、機器平衡的應用一、機器平衡的應用運用到平衡裝置的還有衛(wèi)星、運用到平衡裝置的還有衛(wèi)星、輪船、潛艇、武器等等輪船、潛艇、武器等等 因為陀螺儀能夠感應因為陀螺儀能夠感應到手機到手機6個自由度的變化，個自由度的變化，所以對手機的任何移動都所以對手機的任何移動都會被傳感器記錄下來，接會被傳感器記錄下來，接著通過顯示器輸出，就可著通過顯示器輸出，就可以進行逼真的游戲操作，以進行逼真的游戲操作，使玩家猶如置身于游戲世使玩家猶如置身于游

17、戲世界之中界之中 。二、操作裝置的應用二、操作裝置的應用1、手機軟件、游戲的應用、手機軟件、游戲的應用點擊這里觀看手機陀螺儀演示視頻點擊這里觀看手機陀螺儀演示視頻 二、操作裝置的應用二、操作裝置的應用2、空中鼠標操作應用、空中鼠標操作應用 陀螺儀空中鼠標方案，可以使陀螺儀空中鼠標方案，可以使傳統(tǒng)鼠標脫離對桌面的依賴，升級傳統(tǒng)鼠標脫離對桌面的依賴，升級為空中鼠標，實現(xiàn)懸空為空中鼠標，實現(xiàn)懸空3D操作，操作，只需輕揮手腕，指針即可隨意移動，只需輕揮手腕，指針即可隨意移動，輕松控制電腦。目前我們空中鼠標輕松控制電腦。目前我們空中鼠標解決方案，采用領先的陀螺儀鼠標解決方案，采用領先的陀螺儀鼠標技術，利

18、用技術，利用MEMS（微電子機械系（微電子機械系統(tǒng)）傳感器獲取手腕在空中的位移統(tǒng)）傳感器獲取手腕在空中的位移數(shù)據(jù)，結合數(shù)據(jù)，結合MCU（單片機），（單片機），RF系統(tǒng)，最終實現(xiàn)指針靈敏運動，對系統(tǒng)，最終實現(xiàn)指針靈敏運動，對電腦自如操控。電腦自如操控。 點擊這里觀看揮揮鼠點擊這里觀看揮揮鼠M3鼠標演示視頻鼠標演示視頻 三、穩(wěn)定平臺的應用三、穩(wěn)定平臺的應用1、相機、攝像機的光學防抖、相機、攝像機的光學防抖 光學防抖通過鏡頭組光學防抖通過鏡頭組實現(xiàn)防抖。依靠磁力包裹實現(xiàn)防抖。依靠磁力包裹懸浮鏡頭，從而有效克服懸浮鏡頭，從而有效克服因相機振動產生的圖像模因相機振動產生的圖像模糊，這對于大變焦鏡頭的糊，

19、這對于大變焦鏡頭的數(shù)碼相機所能起到的效果數(shù)碼相機所能起到的效果更加明顯。通常，鏡頭內更加明顯。通常，鏡頭內的陀螺儀偵測到微小的移的陀螺儀偵測到微小的移動，并且會將信號傳至微動，并且會將信號傳至微處理器，處理器，微處理器微處理器立即計立即計算需要補償?shù)奈灰屏?，然算需要補償?shù)奈灰屏?，然后通過補償鏡片組，根據(jù)后通過補償鏡片組，根據(jù)鏡頭的抖動方向及位移量鏡頭的抖動方向及位移量加以補償，從而有效的克加以補償，從而有效的克服因相機的振動產生的影服因相機的振動產生的影像模糊像模糊 三、穩(wěn)定平臺的應用三、穩(wěn)定平臺的應用2、鎖定方向和目標、鎖定方向和目標 衛(wèi)星拍攝、航空拍攝要求攝像機要始終對著拍攝目標，但是因為

20、衛(wèi)星拍攝、航空拍攝要求攝像機要始終對著拍攝目標，但是因為衛(wèi)星和飛機都是運動的、這里就要用到陀螺儀的穩(wěn)定平臺作用了，當衛(wèi)星和飛機都是運動的、這里就要用到陀螺儀的穩(wěn)定平臺作用了，當衛(wèi)星和飛機有位置的改變時，傳感器立即通過控制電機對拍攝平臺進衛(wèi)星和飛機有位置的改變時，傳感器立即通過控制電機對拍攝平臺進行修正，使攝像機始終鎖定一個方向?，F(xiàn)在很多尖端武器上面都用陀行修正，使攝像機始終鎖定一個方向?，F(xiàn)在很多尖端武器上面都用陀螺穩(wěn)定器，也是陀螺穩(wěn)定平臺，比如快速行進中的坦克，無論路面有螺穩(wěn)定器，也是陀螺穩(wěn)定平臺，比如快速行進中的坦克，無論路面有多顛簸，炮口都可以不跟隨顛簸，這樣坦克就可以在行進當中準確開多顛

21、簸，炮口都可以不跟隨顛簸，這樣坦克就可以在行進當中準確開炮。同樣軍艦也是如此。炮。同樣軍艦也是如此。 四、安全裝置的應用四、安全裝置的應用 MEMSMEMS微機械陀螺儀用于測量汽車的旋轉速度（轉彎或微機械陀螺儀用于測量汽車的旋轉速度（轉彎或者打滾），它與低加速度計一起構成主動控制系統(tǒng)。所謂者打滾），它與低加速度計一起構成主動控制系統(tǒng)。所謂主動控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現(xiàn)汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍主動控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現(xiàn)汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍尚未發(fā)生時及時糾正這個異常狀態(tài)或者正確應對個異常狀尚未發(fā)生時及時糾正這個異常狀態(tài)或者正確應對個異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。比如在轉彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測態(tài)以阻止車

22、禍的發(fā)生。比如在轉彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度就知道方向盤打得過多還是不夠，主動在內側或量角速度就知道方向盤打得過多還是不夠，主動在內側或者外側車輪上加上適當?shù)膭x車以防止汽車脫離車道?，F(xiàn)在者外側車輪上加上適當?shù)膭x車以防止汽車脫離車道。現(xiàn)在這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。 1、汽車上的、汽車上的主動控制系統(tǒng)主動控制系統(tǒng) 四、安全裝置的應用四、安全裝置的應用 目前最新目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內置了手提電腦里就內置了MEMS加加速度計，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根速度計，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智

23、能的選擇關閉硬盤還是讓其繼據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度地保護里面的數(shù)據(jù)。目前在一些先進的移動硬盤上也程度地保護里面的數(shù)據(jù)。目前在一些先進的移動硬盤上也使用了這項技術。使用了這項技術。2、筆記本硬盤保護裝置、筆記本硬盤保護裝置 五、點線接觸機器的應用五、點線接觸機器的應用1、交通工具、交通工具 因為陀螺儀的方向敏感能力因為陀螺儀的方向敏感能力極高，利用陀螺儀控制輪子，從而極

24、高，利用陀螺儀控制輪子，從而保持平衡保持平衡 ，具有運動靈活、智能具有運動靈活、智能控制、操作簡單、節(jié)省能源、綠色控制、操作簡單、節(jié)省能源、綠色環(huán)保、轉彎半徑為環(huán)保、轉彎半徑為0 0等優(yōu)點等優(yōu)點 五、點線接觸機器的應用五、點線接觸機器的應用2、機器人、機器人 利用陀螺儀就很好的解決機利用陀螺儀就很好的解決機器人的平衡性問題，使機器人不再器人的平衡性問題，使機器人不再那么容易摔倒，日后是機器人發(fā)展那么容易摔倒，日后是機器人發(fā)展的主流的主流 六、精確導航的應用六、精確導航的應用 集成電子羅盤集成電子羅盤MEMSMEMS傳感器可傳感器可以使以使GPSGPS導航更精確，導航更精確，Sensor Sensor PlatformsPlatforms公司和其它供應商都在公司和其它供應商都在開發(fā)集成有開發(fā)集成有MEMSMEMS航位推算功能的系航位推算功能的系統(tǒng)，這樣你的導航系統(tǒng)就統(tǒng)，這樣你的導航系統(tǒng)就可以跟隨可以跟隨你進入建筑物內（甚至是地鐵）而你進入建筑物內（甚至是地鐵）而不迷路不迷路。其它的開發(fā)者在開發(fā)把。其它的開發(fā)者在開發(fā)把GPSGPS、相機、相機、MEMSMEMS傳感器集成在一傳感器集成在一個平臺，這樣導航系統(tǒng)不但知道使個平臺，這樣導航系統(tǒng)不但知道使用者身處何處，還知道使用者看到用者身處何處，還知道使用者看到些什么，這樣屏幕上的數(shù)據(jù)交互以些什么，這樣屏幕上的