基于MEMS的传感器技术报告

1、基于基于MEMS的三维传感器的三维传感器技术报告技术报告 阳光体育运动 项目小组 主要内容主要内容MEMS技术简介技术简介三维加速度传感器三维加速度传感器三轴陀螺仪传感器三轴陀螺仪传感器磁力计传感器磁力计传感器多传感器运用及数据融合多传感器运用及数据融合 MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、

2、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术技术MEMS技术技术n基于MEMS技术的常见传感器：加速度传感器，陀螺仪传感器，磁力计传感器，话筒传感器，压力传感器。n传感器主要由一些美国和亚洲公司开发，包括意法半导体(ST)、AnalogDevices公司(ADI)、惠普公司(HP)、德州仪器公司(TI)，以及Memsic公司。三维加速度传感器（三维加速度传感器（Accelerometer）n工作原理：工作原理：n加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶

3、体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。加速度传感器物理学分析加速度传感器物理学分析makxxcxmrrr m加速度测量方向读出传感器壳体检测质量阻尼器弹簧质量块运动方程质量块运动方程无阻尼固有频率无阻尼固有频率mk0mkc221Q拉氏变换得传递函数的幅值和拉氏变换得传递函数的幅值和相位分别为相位分别为202220)/()(1)()()(QAXHr22001tanQ阻尼比阻尼比品质因子品质因子 n传递函数幅值由图可见，为提高灵敏度，由图可见，为提高灵敏度，需要降低固有频率。需要降低固有频率。降低固有频率有两个方案：降低

4、固有频率有两个方案：降低刚度或增大质量。降低刚度或增大质量。 加速度传感器学物理学分析加速度传感器学物理学分析加速度传感器常见分类及区别加速度传感器常见分类及区别n压电式：压电式：利用压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。由于刚体被支撑，其只能感应动态加速度，而不能感应静态加速度，比如重力加速度。n容电式：容电式：容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。压电式压电式容电式容电式

5、加速度传感器常见分类及区别加速度传感器常见分类及区别n热电式：热电式：热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性，热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。加速度传感器选型关键技术参数加速度传感器选型关键技术参数n轴数轴数(Axis): 通常我们定义水平面为X和Y轴，垂直的为Z轴。有些应用2轴就可以胜任，但有些应用需要用到3轴。n满量程满量程: 满量程 (FS) 指的是器件可以测量到的最大加速度值 ，比如： 2g / 6g n分辨率分辨

6、率: 分辨率(Dres)指的是可以检测到的最小加速度的变化值。数字器件的分辨率取决于内置AD转换的位数和满量程：比如有一个12位的ADC, 满量程设置是2g, 这意味着整个测量范围从2g到-2g, 即为4000mg, 分辨率为Dres=4000mg / 4096 =1mg。n灵敏度灵敏度(So): 指的是器件的增益, 可以通过施加1g加速度在器件上测量输出值来取得。对于数字器件，灵敏度和分辨率有点类似：So=1024 LSb/g 或者 So=1mg/LSbn0g偏差值偏差值 (Voff) : 0g偏差值指的是当器件受到的加速度为0时, 器件输出的加速度值。对于加速度传感器来说，0g偏差是非常重

7、要的。这个值越小越好。对于数字器件：0g 偏差值 = x mg (x越小越好, 对于手持设备, 80mg是可以接受的范围）加速度传感器选型关键技术参数加速度传感器选型关键技术参数n灵敏度温度系数灵敏度温度系数(TCSO):n指的是灵敏度对温度的稳定性 ,表示为: Tcso = 0.01%/C n数字器件: So=1mg/LSb 相对于室温25 C最大的温度差 =25-(-20C) =45C n温度对灵敏度最大的影响 = 0.01%/C*45C*1mg/Lsb=0.0045mg/Lsbn如果是2g的满量程, 温度对最终输出最大可能的影响 =0.0045mg/Lsb * (2000mg/(1mg/

8、Lsb)=9mgn0g偏差值温度系数偏差值温度系数(TCoff) : 指的是0g输出对温度的稳定性, 比如: n0.2mg/C。相对于室温25 C最大的温度差 =25-(-20C) =45C 温度最大可能的影响= 0.2mg/C * 45C = 9mgn抗冲击性抗冲击性: 表明传感器能承受的最大加速度，只要器件受到的加速度在这个范围内, 器件就不会出现机械结构损坏。加速度传感器的应用加速度传感器的应用三轴陀螺仪传感器（三轴陀螺仪传感器（Gyroscope ）n工作原理：工作原理：n高速旋转的刚体称为陀螺，用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用

9、其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 陀螺仪传感器基本原理陀螺仪传感器基本原理 MEMS MEMS陀螺仪多数采用一种调音叉结构。这种结构由两个振动并不断地陀螺仪多数采用一种调音叉结构。这种结构由两个振动并不断地做反向运动的物体组成，如图做反向运动的物体组成，如图2 2所示。当施加角速率时，每个物体上的所示。当施加角速率时，每个物体上的科里科里奥利效应奥利效应产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，产生相反方向的力，从而引起电容变化。电容差值与角速率成正比，如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输出信号；如果是数字陀螺仪，则如果是模拟陀螺仪，电容差值转换成电压输

10、出信号；如果是数字陀螺仪，则转换成最低有效位转换成最低有效位。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同。如果在两个物体上施加线性加速度，这两个物体则向同一方向运动。因此，不会检测到电容变化。一方向运动。因此，不会检测到电容变化。 MEMS陀螺仪利用科里奥利力旋转，物体在有径向运动时所受的切向力，右面是导出科里奥利力的方法 科里奥利效应: (地转偏向力) 如果一个物体是静止的，或者相对于某一固定点作恒速运动，那么，如果一个物体是静止的，或者相对于某一固定点作恒速运动，那么，在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如果你想从物体一端的在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如果你想从物体一端的

11、A A点沿点沿着一条直线走到另一端的着一条直线走到另一端的B B点，点， 你在走的过程中不会感到有任何困难。你在走的过程中不会感到有任何困难。 但是但是，如果一个物体的不同部分以不同的速度运动，那么，情况就大，如果一个物体的不同部分以不同的速度运动，那么，情况就大不一样了，假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台。整不一样了，假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台。整个平台的整体在旋转，但在中心附近的一点个平台的整体在旋转，但在中心附近的一点画画出一个小圈，因而在缓慢地出一个小圈，因而在缓慢地运动，而靠近外缘的一点则画出一个大圈，因而在快速地运动。运动，而靠近外缘的一点则

12、画出一个大圈，因而在快速地运动。 陀螺仪传感器基本原理陀螺仪传感器基本原理陀螺仪传感器物理学分析陀螺仪传感器物理学分析n该系统为2-D的振动系统，有两个正交的振动模态。其中振动模态为质量块在x和y方向振动。n上电工作时，驱动质量块，使之在x轴上以驱动频率振动，如果振动系统以角速度绕Z轴转动，则会产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，从而使得质量块在Y轴方向上产生振动响应，通过测试Y轴方向的运动就能完成角速度的检测陀螺仪中的陀螺仪中的3个角个角nYaw称为偏航角；nRoll称为滚动角；nPitch称为倾斜角； yaw 旋转旋转 roll旋转旋转 pitch旋转旋转陀螺仪的应用陀螺仪的应用磁力计传感器磁

13、力计传感器(Magnetometer)n地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极，如下图所示。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是TeslaGauss(1Tesla=10000Gauss)。磁力计传感器工作原理磁力计传感器工作原理n磁力计采用各向异性磁致电阻AMR(Anisotropic Magneto-Resistance)材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。惠斯通电桥检测惠斯通电桥检测AMR阻值的变化阻值

14、的变化原理：R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加R而R3/R4减少R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压V。电子罗盘中的航向角电子罗盘中的航向角n地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如下所示。定义如图所示的地磁北和X轴方向的夹角 为航向角(Azimuth)，地磁场矢量分解示意图地

15、磁场矢量分解示意图)(rctanAzHxHyaimuth 航向角磁场校准及航向角倾斜补偿磁场校准及航向角倾斜补偿n当3 轴磁力计工作时可以读到XYZ三轴的磁场强度，此时的数值并不能直接用作方位角的计算！因为此时的磁场可能受到器件版面上其他一些含磁材料的影响，形成圆心坐标的硬铁漂移！校准方法：针对XY轴的校准，将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转，得到Xmax和Xmin，2minmaxXXXoffset2minmaxYYYoffsetXXXoffset测量实际YYYoffset测量实际磁场校准及航向角倾斜补偿磁场校准及航向角倾斜补偿n电子罗盘并非一直保持水平的，通常它和水平面都有一个夹角。这个

16、夹角会影响航向角的精度，需要倾斜补偿。其中和由重力加速度测得。)cos()sin()sin()sin()cos(ZYXHMMMx)sin()cos(ZYHMMy)(rctanAzHxHyaimuth 航向角多传感器运用及数据融合多传感器运用及数据融合n利用加速度传感器（三轴）、陀螺仪（三轴）进行动作、姿势的检测，使用磁力计（三轴）对累积误差做修正，即称为九轴。下图所示的是多传感器在手机等移动设备上的运用。一种传感数据融合算法一种传感数据融合算法定义向量Racc = RxAcc,RyAcc,RzAcc，表示当前加速度计测到的各分量。接来下我们引进一个新的向量：Rest = RxEst,RyEst

17、,RzEst；作为本算法的输出值，它经过陀螺仪数据的修正和基于上一次估算的值。假设初始静止状态如下：RxEst（0）= RxAcc（0）；RyEst（0）= RyAcc（0）RzEst（0）= RzAcc（0）；接下来我们在间隔T秒做一次采集测量，得到新的测量值，并定义为Racc（1）、Racc（2）、Racc（3）等等。同时，在每个时间间隔我们也计算出新的估算值Rest（1）、Rest（2）、Rest（3）。建立如下模型：建立如下模型：Rest(n-1) 前一个估算值，Rest(0) = Racc(0)Racc(n) 当前加速度计测量值在计算Rest（n）前，引进一个新的值，它可由陀螺仪和前

18、一个估算值得到。叫做Rgyro，同样它是个矢量并由3个分量组成：Rgyro = RxGyro,RyGyro,RzGyro分别计算这个矢量的分量。一种传感数据融合算法一种传感数据融合算法以计算RxGyro为例：步骤步骤1：RxGyro = 1 / SQRT (1 + cot(Axz(n)2 * sec(Ayz(n)2 ),其中：Axz(n) = Axz(n-1) + RateAxz(n) * T；RateAxz由陀螺仪直接读取；Ayz(n) = Ayz(n-1) + RateAyz(n) * T；同理依次等到RyGyro；再得：RzGyro= Sign(RzGyro)*SQRT(1 RxGyro

19、2 RyGyro2)。构建出Rgyro矩阵。一种传感数据融合算法一种传感数据融合算法n步骤步骤2：定义如下等式：nRxEst(n) = (RxAcc + RxGyro * wGyro ) / (1 + wGyro)RyEst(n) = (RyAcc + RyGyro * wGyro ) / (1 + wGyro)RzEst(n) = (RzAcc + RzGyro * wGyro ) / (1 + wGyro)n其中wGyro表示我们对加速度计和陀螺仪的相信程度即权重值，为经验值。做归一化得到整个算法的输出值Rest(n)作为下次循环的输入。飞机上有陀螺仪，其安装在飞机驾驶舱的仪表盘上。飞机上

20、有陀螺仪，其安装在飞机驾驶舱的仪表盘上。陀螺仪在飞行时起的主要作用并不是稳定飞机，而陀螺仪在飞行时起的主要作用并不是稳定飞机，而是是指示飞机飞行姿态指示飞机飞行姿态，也叫，也叫姿态仪姿态仪，告诉你飞机仰，告诉你飞机仰角，俯角，倾角（飞机空中转向时两翼与水平面的角，俯角，倾角（飞机空中转向时两翼与水平面的夹角）。由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，夹角）。由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，所以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握所以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行。一、机器平衡的应用一、

21、机器平衡的应用一、机器平衡的应用一、机器平衡的应用运用到平衡装置的还有卫星、运用到平衡装置的还有卫星、轮船、潜艇、武器等等轮船、潜艇、武器等等 因为陀螺仪能够感应因为陀螺仪能够感应到手机到手机6个自由度的变化，个自由度的变化，所以对手机的任何移动都所以对手机的任何移动都会被传感器记录下来，接会被传感器记录下来，接着通过显示器输出，就可着通过显示器输出，就可以进行逼真的游戏操作，以进行逼真的游戏操作，使玩家犹如置身于游戏世使玩家犹如置身于游戏世界之中界之中 。二、操作装置的应用二、操作装置的应用1、手机软件、游戏的应用、手机软件、游戏的应用点击这里观看手机陀螺仪演示视频点击这里观看手机陀螺仪演示

22、视频 二、操作装置的应用二、操作装置的应用2、空中鼠标操作应用、空中鼠标操作应用 陀螺仪空中鼠标方案，可以使陀螺仪空中鼠标方案，可以使传统鼠标脱离对桌面的依赖，升级传统鼠标脱离对桌面的依赖，升级为空中鼠标，实现悬空为空中鼠标，实现悬空3D操作，操作，只需轻挥手腕，指针即可随意移动，只需轻挥手腕，指针即可随意移动，轻松控制电脑。目前我们空中鼠标轻松控制电脑。目前我们空中鼠标解决方案，采用领先的陀螺仪鼠标解决方案，采用领先的陀螺仪鼠标技术，利用技术，利用MEMS（微电子机械系（微电子机械系统）传感器获取手腕在空中的位移统）传感器获取手腕在空中的位移数据，结合数据，结合MCU（单片机），（单片机），

23、RF系统，最终实现指针灵敏运动，对系统，最终实现指针灵敏运动，对电脑自如操控。电脑自如操控。 点击这里观看挥挥鼠点击这里观看挥挥鼠M3鼠标演示视频鼠标演示视频 三、稳定平台的应用三、稳定平台的应用1、相机、摄像机的光学防抖、相机、摄像机的光学防抖 光学防抖通过镜头组光学防抖通过镜头组实现防抖。依靠磁力包裹实现防抖。依靠磁力包裹悬浮镜头，从而有效克服悬浮镜头，从而有效克服因相机振动产生的图像模因相机振动产生的图像模糊，这对于大变焦镜头的糊，这对于大变焦镜头的数码相机所能起到的效果数码相机所能起到的效果更加明显。通常，镜头内更加明显。通常，镜头内的陀螺仪侦测到微小的移的陀螺仪侦测到微小的移动，并且

24、会将信号传至微动，并且会将信号传至微处理器，处理器，微处理器微处理器立即计立即计算需要补偿的位移量，然算需要补偿的位移量，然后通过补偿镜片组，根据后通过补偿镜片组，根据镜头的抖动方向及位移量镜头的抖动方向及位移量加以补偿，从而有效的克加以补偿，从而有效的克服因相机的振动产生的影服因相机的振动产生的影像模糊像模糊 三、稳定平台的应用三、稳定平台的应用2、锁定方向和目标、锁定方向和目标 卫星拍摄、航空拍摄要求摄像机要始终对着拍摄目标，但是因为卫星拍摄、航空拍摄要求摄像机要始终对着拍摄目标，但是因为卫星和飞机都是运动的、这里就要用到陀螺仪的稳定平台作用了，当卫星和飞机都是运动的、这里就要用到陀螺仪的

25、稳定平台作用了，当卫星和飞机有位置的改变时，传感器立即通过控制电机对拍摄平台进卫星和飞机有位置的改变时，传感器立即通过控制电机对拍摄平台进行修正，使摄像机始终锁定一个方向。现在很多尖端武器上面都用陀行修正，使摄像机始终锁定一个方向。现在很多尖端武器上面都用陀螺稳定器，也是陀螺稳定平台，比如快速行进中的坦克，无论路面有螺稳定器，也是陀螺稳定平台，比如快速行进中的坦克，无论路面有多颠簸，炮口都可以不跟随颠簸，这样坦克就可以在行进当中准确开多颠簸，炮口都可以不跟随颠簸，这样坦克就可以在行进当中准确开炮。同样军舰也是如此。炮。同样军舰也是如此。 四、安全装置的应用四、安全装置的应用 MEMSMEMS微

26、机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状态以阻止车祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测态以阻止车祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在这种系统主要安装于高端汽车上。这种系统主要安装于高端汽车上。 1、汽车上的、汽车上的主动控制系统主动控制系统 四、安全装置的应用四、安全装置的应用 目前最新目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了手提电脑里就内置了MEMS加加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继据这