關于指叉式微型硅加速度傳感器的綜述

（中國地質大學（北京）信息工程學院，北京 100000）

0 引言

基于FMSA的微機電系統(tǒng)是一種基于移動板或傳感元件引起的電容變化來測量加速度的設備[1]。FMSA由于其高精度，低溫靈敏度，低功耗，寬動態(tài)范圍和微機械結構等優(yōu)點而成為國內外研究的熱點。它具有良好的直流響應，良好的信噪比，高負載阻抗，磁場干擾小，易于實現(xiàn)自檢，高靈敏度，低漂移和低溫靈敏度，并且可以響應靜態(tài)或直流加速度。低頻響應，因此已被廣泛使用。在目前的科學研究和市場占有率中，主要是電容式加速度計，約占mems加速度計的一半。

1 工作原理

MEMS技術是一種基于微米/納米材料的21世紀尖端技術，涉及微米/納米材料的設計、加工、制造、測量和控制。它可以將機械組件、光學系統(tǒng)、驅動組件和電子控制系統(tǒng)集成到一個單元中。這種微機電系統(tǒng)不僅能夠收集，處理和發(fā)送信息或指令，而且能夠自主地或根據獲得的信息根據外部指令進行。它結合了微電子學和微制造技術，生產出各種高性能、廉價且小型化的傳感器、執(zhí)行器、驅動器以及微系統(tǒng)。MEMS是近年來發(fā)展起來的一種新的跨學科技術，它將對未來的人類生活產生革命性的影響。它涉及許多學科，例如力學、電子學、化學、物理學、光學、生物學以及材料[2]。它由多晶硅指套、質量、彈簧組成。多晶硅彈簧將MEMS結構懸掛在基板上方，以便傳感器的主體（也稱為質量證明）可以沿X和Y軸移動。因此，當加速度在某個方向上時，質量將移動得更快。電容器板之間有可移動的指套。當質量靜止時，質量在兩側的電容相同。手指對產生的位移可以反推加速度的大小。

1.1 電容變化原理

固定電容器，另一端（指套）可以移動，使電容值隨質量的變化而變化。當d0在Δd減小時，電容增加Δc。也就是說，當Δd/d0遠小于1時，Δc和Δd近似為線性關系，一般為Δd/d0～0.02-0.1。

1.2 電容傳感器的靈敏度

靈敏度S是d0的函數。d0越小，靈敏度越高，但是d0減小并且非線性度增加。靈敏度S是d0的函數。d0越小，靈敏度越高，但是d0減小并且非線性度增加[3]。

1.3 加速度計是慣性測量單元的重要組成部分之一

由于制造過程和傳感器安裝中的問題，由于非正交誤差，比例誤差，零偏和未對準而將誤差引入測量中。未經校準的原始讀數可能會嚴重影響慣性導航系統(tǒng)的準確性。為了獲得準確的姿態(tài)估計，必須將加速度計和慣性傳感器的軸對齊，并對加速度計進行良好的校準。

對于測量低加速度的加速度計，校準方法通常包括相對于重力放置加速度計，獲取未校準的讀數，然后計算校準系數。這樣的方法可以大致分為兩類：一類依賴于重力的不變性，在本文中稱為總場，另一類依賴于已知的刺激。全場法的優(yōu)點是不需要已知的輸入刺激，這意味著加速度計在重力場中不需要精確定位。在先前的工作中，這還意味著將車身框架與傳感器框架相關的信息丟失了。另一方面，依賴于已知刺激的方法具有產生身體框架校準的優(yōu)點。但是，由于位置和/或水平誤差，計算中使用的“已知”刺激不同于實際刺激，然后將其傳播到校準系數中。

傳感器框架校準步驟取決于重力矢量的不變性：

其中，G是重力加速度，XSF，YSF和ZSF是傳感器框架軸上經歷的加速度。擴展式（2）的替代結果是：

該方程在mxx，myy，mzz，mxy，mxz，myz，bx，by和bz中是非線性的。解決這些變量需要在獨立方向上至少取N=9的加速度計讀數。盡管此校準步驟并未對加速度計的方向施加任何其他限制，但方便后續(xù)的校準步驟通過圍繞其車架軸線旋轉加速度計來定向加速度計。車身之間的特定角度不需要知道框架軸和重力，但是標有星號的旋轉軸必須保持其姿態(tài)，在旋轉過程中保持恒定。如果包括整數個直徑相對的位置對，則45°也可以。

非線性系統(tǒng)可以使用成本函數（4）用高斯-牛頓算法求解：

其中m=（mxx，myy，mzz，mxy，mxz，myz，bx，by，bz）是九變量解；uui=[xi yi zi]是位置i=1…24處的傳感器讀數；G是校準點的重力加速度。通常，加速度計中有幾對電容器相互平行。這不僅改善了信號值，使數據更準確，而且改善了設備的線性度。如果要在所有三個方向上測量加速度，則只需要在Z方向上添加一組設備即可。

2 科學假設

2.1 Airpods的使用功能及優(yōu)化

目前市場上流行的耳機種類繁多，Airpods的體積小巧，使用方便，深受消費者喜愛。眾所周知，蘋果Airpods的無線藍牙耳機具有以下便捷功能：

當我們在路上行走時，在手機上聽音樂可能不方便操作，那么我們可以使用Airpods藍牙耳機的兩個功能，當我們想要切換歌曲時，可以用手指輕敲兩個耳機之一，因此 Airpods將根據其中的移動速度傳感器切換到下一首歌曲。另外，如果我們想暫停播放，則可以在另一個耳機上執(zhí)行相同的操作。如果不小心碰到耳機，我們可以調整運動加速度傳感器的參數并為需要施加的壓力設置一個臨界值。僅當壓力大于該值可以正常工作，從而大大降低了出錯的可能性。我們還可以更改傳感器在頭戴式耳機中的位置，例如將其設置在頭戴式耳機的頂部，以便我們需要點按頭戴式耳機的上部以實現(xiàn)該功能。

比起貼近耳朵的電話交談，使用airpods通話更方便，省力，但同時，由于麥克風的位置離聲源較遠，因此我們面臨著更大的噪音挑戰(zhàn)。在我們的生活中，不可避免的是我們周圍會有很多噪音，這會影響我們通話的質量。降低噪音并使聲音更清晰的方法包括：（1）耳機中的語音加速度傳感器經過專門設計，可以檢測用戶產生的振動，因此聲帶振動產生的聲音將占主導地位，從而改善通話質量[4]。（2）使用波束成形技術的Airpods的MEMS麥克風可以配置為陣列以形成定向響應或波束場，對來自一個或多個特定方向的聲音更敏感。使用語音加速度計，它可以濾除背景噪音并清楚地鎖定用戶的語音。

2.2 汽車安全氣囊內部原理

汽車安全氣囊傳感器按結構可分為三種類型：機械、機電和電子。每種傳感器都有其自身的價值，可以在保證車內人員生命安全的前提下，進一步減少經濟損失。如果我們在日常開車中，只是輕微的摩擦或撞擊，會不會也彈出安全氣囊，從而造成不必要的浪費，上述問題值得關注。（1）轎廂中的機械傳感器將檢測轎廂中傳感器重量塊的減速度。當達到特定值時，傳感器重量塊會將其機械能直接傳遞給啟動器，從而使安全氣囊彈出。低速輕微撞擊不會導致安全氣囊彈出。（2）轎廂內的電子加速度傳感器連續(xù)測量轎廂的前進減速速度。轎廂的速度越大，碰撞后產生的減速力就越大，輸出電壓也就越大[5]。當達到某個值時，安全氣囊彈出。

3 結語

基于MEMS的指插式微機械硅加速度計是一種智能化的器件，可應用于多個領域。由于其可將機械組件，光學系統(tǒng)，驅動組建和電子控制系統(tǒng)集成到一個單元上，在未來它將會在我們生活的各個方面嶄露頭角。此外，本文還以蘋果耳機Airpods和汽車安全氣囊內部的加速度傳感器為例，一方面論述了該傳感器在我們日常生活中的原理及運用，另一方面也闡述了一些該器件目前仍存在的不足以及對未來發(fā)展的一些展望，目的是更加便利人們的生產生活，讓人們的生活質量進一步提高。