MEMS加速度计的应用原理是什么？具体介绍

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。加速度计是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。

加速度计是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。结构包括由硅膜片、上盖、下盖，膜片处于上盖、下盖之间，键合在一起。一维或二维纳米材料、金电极和引线分布在膜片上，并采用压焊工艺引出导线。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、压阻式、压电式等。

电容式MEMS加速度计原理类似于一个质量块两端通过弹簧进行固定。在没有加速度的情况下，弹簧不会发生形变，质量块静止。当产生加速度时，弹簧发生形变，质量块的位置会发生变化。 弹簧的形变量随着加速度的增大而增大。在弹簧的劲度系统 k 和质量块的质量 m已知的情况下，只要测量出弹簧的形变量，就可以求出系统的加速度。

在G-sensor内部有 finger sets, 用来测量产生加速度读时质量块的位移。 每一个finger set 相当两个电容极板， 当有加速度时质量块会产生相对运动，而位移的变化会导致差分电容的变化。

具体的差分电容检测和计算加速度过程由G-sensor内部完成，我们只需要直接读取其转化后的值即可。G-sensor输出值也不是直接的加速度值，它的计量单位是通常用g表示，1g代表一个重力加速度，即9.8m/s^2。1g=1000mg。

这里用一个例子再次强调一下G-sensor的输出值是根据其内部质量块的位移计算得出的：

将G-sensor的Z轴垂直向地，静止放置在水平桌面上，此时G-sensor芯片是静止的，虽然芯片整体加速度为0g，但是读取其输出值，X/Y轴输出为0g，Z轴输出为1g。因为内部质量块在重力加速度的作用下，产生了位移。

压阻式加速度传感器的原理是，半导体单晶硅材料在受到外力作用，会产生肉 眼察觉不到的极微小应变，其原子结构内部的电子 能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化， 由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理 效应叫压阻效应。它较之传统的膜合电位计式、力 平衡式、变电感式、变电容式、金属应变片式及半导 体应变片式传感器技术上先进得多。

从20世纪80 年代中期以后，在美、日、欧传感器市场上，它已是压力传感器中占据主流的品种，并与压电式几乎平分 了加速度传感器的国际市场。目前,在以大规模集 成电路技术和计算机软件技术介人为特色的智能传 感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感 元件来构成智能传感器的基础，因而备受瞩目a压阻式传感器由一个振动片和4个用微机械技 术处理形成的褶曲部分组成，4个支架中的每一个 都含有2个移植的电阻，它们互相连接形成一个惠 斯登电桥，当它承受一个加速度时，这个片将上下移 动，导致4个电阻值增加，其它的4个减少，这样就 形成了一个与电源电压成比例的电压变化。这8个 电阻如果互相联接，将会使任何偏离轴线的加速度的影响无效。硅的顶部和底部的帽与容纳振动片和 支架的部分相连，硅帽有几个用途，精密的缺口蚀刻 在帽上提供了空气缓冲，消除结构的共振峰值。因 为这个部分被缓冲，到几kHz的频率响应是呈水平 趋势，受温度影响较小。

结构中的顶帽用来在没有加速度时检测加速度 计，实现自检功能。当提供给硅顶帽金属极一个电 压时，静电力驱使振动片朝顶帽移动。这导致了一 个与灵敏度和应用电压的平方成比例的输出电压变 化，这样为应用一个外部电压产生一个加速度和检 测机械和电子结构的性能提供了可能。

压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器(?)。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。使用压电加速度计时，所用放大器低频截止频率多为2-5Hz，目的是以此来剔除许多压电传感器的热释电输出。