MEMS传感器是结合硅基微电子技术和微机械加工技术制造的微型机械设备,具有广泛的应用潜力。MEMS传感器通常由MEMS芯片和专用集成电路芯片(ASIC芯片)封装而成,能够将外界信号转化为电信号。常见的MEMS器件包括加速度计、麦克风、压力传感器等,广泛应用于消费电子、汽车、医疗等领域。MEMS压力传感器通过测量压力变化来计算海拔高度,而MEMS加速度传感器则利用加速度感应运动和震动。MEMS陀螺仪则通过科里奥利力原理测量角速度,用于保持设备稳定性。
MEMS加速度传感器 MEMS加速度传感器利用加速度来感测运动和震动,比如消费电子中最广泛的体感检测,广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、姿态识别等等。MEMS加速度传感器的原理非常易于理解,那就是高中物理最基础的牛顿第二定律。力是产生加速度的原因,加速度的大小与外力成正比,与物体质量成反比:F=ma。所以MEMS加速度传感器本质上也是一种压力传感器,要计算加速度,本质上也是计算由于状态的改变,产生的惯性力,常见的加速度传感器包括压阻式,电容式,压电式,谐振式等。其中,电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强,是目前技术最为成熟、应用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高,电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。其中,电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强,是目前技术最为成熟、应用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高,电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。下图是3轴MEMS加速度传感器的封装结构,ASIC芯片位于MEMS芯片上方,MEMS芯片里,Z轴与X-Y轴从结构上是分开设计的。
MEMS陀螺仪传感器 MEMS陀螺仪又称MEMS角速度传感器,是一种测量角速度传感器,其原理相对来说复杂点。测量角速度,不是一件容易的事情,必须在运动的物体中,寻找到一个静止不动的锚定物——这个锚定物就是陀螺。人们发现,高速旋转中的陀螺,角动量很大,旋转轴不随外界运动状态改变而改变,会一直稳定指向一个方向。陀螺仪能有什么用?最大的用处就是用来保持稳定。动物界中稳定性最好的就是禽类动物,譬如鸡,所以很多人开玩笑说,鸡的脑袋里肯定装了一个先进的陀螺仪,不管怎么动它,脑袋就是不动。而用陀螺仪,也可以保持机器的稳定性。
至于陀螺仪的结构,核心就是一个呼呼转不停的转子,作为其他运动物体的静止锚定物。右图,高速旋转的陀螺在一条线上保持平衡,这就是陀螺仪的基本原理。再回到MEMS陀螺仪,与传统的陀螺仪工作原理有差异,因为“微雕”技术在硅片衬底上加工出一个可转动的立体转子,并不是一件容易的事。MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力原理——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。这种力超出了笔者的高中物理水平,怎么描述这种科里奥利力呢?可以想象一下游乐场的旋转魔盘,人在旋转轴附近最稳定,但当大圆盘转速增加时,人就会自动滑向盘边缘,仿佛被一个力推着一样向沿着圆盘落后的方向渐渐加速,这个力就是科里奥利力。