MEMS加速度计(accelerometer)与陀螺仪的(gyroscope)原理介绍.ppt

MEMS加速度計與陀螺儀的原理介紹 MEMS加速度計與陀螺儀 有些人看到微機電產品會誤以為這個是純電子的產品，實際上微機電產品都是帶有一半物理裝置設計的產品，而微機電感測器是透過物理發生的類比效果轉換成數位訊號。 加速度計顧名思義就是偵測物品的加速度，利用封裝內配置兩個電容點，並且在中間使用一個可導電並且可晃動的物質，並且透過偵測導電物質移動改變兩個電容點的電壓，藉此計算感測器的移動狀態。 陀螺儀又名角速度計，利用內部振動機械結構感測物體轉動所產生角速度，進而計算出物體移動的角度。 兩者看起來很接近，不過加速度計只能偵測物體的移動行為，並不具備精確偵測物體角度改變的能力，陀螺儀可以偵測物體水平改變的狀態，但無法計算物體移動的激烈程度。 用簡單的例子就是Eee Stick 體感遙控器,這是一個類似 Wii 遊戲的遙控捍 ，例如玩平衡木遊戲，當搖桿向前傾斜時，陀螺儀用來計算搖桿傾斜的角度，三軸加速度計可以偵測搖桿晃動的劇烈程度以及搖桿是否持續朝斜下方。 MEMS加速度計 加速度計是一種慣性傳感器，主要功用為測量物體速度變化率，一般經常被用來測量距離及衝擊力。 在微機電(MEMS)技術製造的加速度計，使尺寸大大縮小，故具有體積小、重量輕、可靠度高、低功率等優點。 目前最廣泛的應用在車用電子領域(high g low g)，近年來已有趨勢大量朝著Game 和手機的應用。 MEMS加速度計方塊圖 一般加速計由兩個晶片組成，一是MEMS傳感器，一是客製化的訊號處理晶片(ASIC)。 MEMS加速度計工作原理 工作原理：靠MEMS中可移動部分的慣性。由於中間電容板質量很大，且是一種懸臂結構，當速度變化or加速度達到足夠時大時，它所受的慣性力超過固定or支撐它的力，這時它會移動，它和上、下電容板之間的距離也因此改變。電容的變化和加速度成正比。 依據不同應用，中間電容板懸臂結構的強度or彈性係數設計也不同，且不同方向的加速度也會使MEMS結構有很大的不同。 電容的變化會由另一晶片轉化成電壓訊號，有時也會把電壓訊號放大。訊號再經轉化處理，在零點和靈敏度校正後輸出。 MEMS加速度計結構 MEMS結構原理 基本應用原理 F：物體所受合外力 m：物體質量 a：物體的加速度 k：物質的彈性係數 x：位移量 C：電容量 ε：介電常數 A：極板截面積 d：板間距離 MEMS加速度計原理 MEMS陀螺儀 MEMS陀螺儀(gyroscope)的設計和工作原理可能各式各樣，但公開的MEMS陀螺儀均採用振動物體傳感角速度的概念，是經由科氏力進行驅動件，與感測件之間機械能的轉換 。 利用振動來誘導和探測科氏力而設計的MEMS陀螺儀沒有旋轉部件，不需要軸承，已被証明可以利用微機電加工技術大批量生產。 陀螺儀最主要是被用來感測角速度，而絕大數陀螺儀其內部振動機械結構感測物體轉動所產生角速度，通常可利用體型或面型加工製作而成，在材料使用上包括石英或矽最為常見。 ? 科氏力 科里奧利力( Coriolis force)，or稱作哥里奧利力，簡稱科氏力。 是對旋轉體系中進行直線運動的質點，由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。 科里奧利力是來自於物體運動所具有的慣性。 其他名稱： 地轉偏向力 定義： 由於地球自轉運動而作用於地球上運動質點的偏向力。 MEMS陀螺儀工作原理 MEMS陀螺儀是利用科氏力效應，其原理如圖。當圖中的物體沿X軸，做週期性振動，或其他運動時，而載具沿Z軸，做旋轉運動(角速度為ω)，則該物體就會沿Y軸方向，產生一個科氏力，其向量級大小， 基本應用原理 v = ω × r 線速度=角速度×半徑 ω=2π/T 角速度=圓周/周期 ω=n × 2π 角速度=轉速×圓周率 a=v^2/r 向心加速度=線速度平方/半徑 =w^2 × r =角速度平方×半徑 =ω × v × r =角速度×線速度×半徑 F=ma 向心力=質量×向心加速度 MEMS陀螺儀結構 物體在圓盤上沒有徑向運動，科氏力就不會產生。在MEMS陀螺儀的設計上，這個物體被驅動