MEMS加速度计是如何工作的?这篇详解送给你

生活处处不物理,留心洞察皆学问。本篇即将讲解的MEMS加速度计工作原理就与我们的生活现象息息相关。毕竟能将基于生活中的加速度现象引申到理论层面实在是一种了不起的智慧。可作为智慧的化身,大家都了解MEMS加速度计是如何工作的吗?

从现象引申至理论

现在我们远出时都会选择乘坐公交车或火车,当车加速离开车站时,我们的身体会向后仰,而当车减速时我们又会向前倾。(如下图)这是因为惯性导致了我们个体与车发生相对运动或有相对运动的趋势。(如果我们的芯片也要实现这样的工作,就可以借助生活中这样的实例。)

车在加/减速运动时,个体有前/后倾倒的趋势

既然有相对运动,那么由理论可知:相对运动的距离与加速度的力存在着正比关系。据此,我们引出今天要提到的第一个物理学理论——胡克定律。

定律内容:在弹性限度内,物体的形变跟引起形变的外力成正比。

公式:F=-kx。其中k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。

为了后续更好地解释MEMS的工作原理,接下来还得引出牛顿第二定律。帮大家复习一下,牛顿第二定律内容:物体的加速度a跟物体所受的合外力F成正比,跟物体的质量m成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。公式为:F=ma。如此,通过胡克定律与牛顿第二定律我们可以发现它们有一个共性——F力。所以,又可推导出公式:a=kx/m。也就是:加速度 = 形变量×劲度系数÷质量。

对于器件的设计来说,设计好的器件质量是已知的;当确定好器件的噪声性能、量程性能后,那么公式中的劲度系数也就确定了;最后,我们只需要去推测出形变量,接着就可以确定加速度了。

MEMS内部工作原理

那么实际器件的内部是如何实现这样的原理的呢?下为芯片内部结构图,我们可以看到中间有一个质量块,两侧为悬浮弹簧,而通过监测质量块运动位移(即图中Finger Sets,亦即多对可变差分电容器形变量)的反馈信息,我们就可以得到加速度。

在设计中,对于单Finger Set来说,每个轴都有多对差分电容器,且其中位移的变化会导致差分电容也发生变化。如下图所示:

单Finger Set示意图

当产生加速度时,图中的Proof Mass就会运动。图中紫色的两块实际上是固定的电容极板,中间的黄色条块在电容极板间可以运动。而在黄色小块运动的过程中,两块电容板之间会产生电容差变化。通过检测电容差,就能得到黄色条块的位移结果。

如何用一个机械传感器来测量多轴加速度呢?

对于双轴的,我们可以很好理解。如下图,在X轴和Y轴的两个方向分别加上弹簧,如此当其在两轴上运动时,就可以通过前面的理论得到其相应的位移。

沿X轴和Y轴的复合运动

对于三轴加速度计,则是在两轴加速度原理上多添加一个Z轴上的弹簧。但实际上由于产品设计理论的原因,一般来说Z轴的高度会受到限制而失去非差分特性。导致的结果便是Z轴弹簧被挪去,只产生单端的上下移动。而通过检测它与机顶之间的相对位移,我们同样可以推出它的加速度。

MEMS加速度计工作原理篇到此结束,相信大家都已经学会了吧。 后续还将为大家奉上MEMS陀螺仪工作原理篇,敬请期待~

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