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壓力,剛體產生應變,把加速度轉變成電信號輸出。
容感式MEMS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。加速度的變化帶動活動質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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