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詳解加速度傳感器的測量原理

2019-03-27| 發布者: 深圳市福正升電子有限公司

摘要:加速度測量的原理十分簡單并且相當可靠,其理論基礎為與慣性質量有關的牛頓第二定律。...

加(jia)速度測量(liang)的原理十分簡(jian)單并且相當可靠(kao),其理論基礎為與(yu)慣性質量(liang)有關的牛頓(dun)第二定律。

 

加(jia)(jia)速(su)(su)度(du)(du)(du)傳感器(qi)元件的(de)基本構成包(bao)括主體(ti)(ti)、彈(dan)簧和(he)慣性質體(ti)(ti)。當傳感器(qi)主體(ti)(ti)的(de)速(su)(su)度(du)(du)(du)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)時(shi),會產生(sheng)隨著(zhu)速(su)(su)度(du)(du)(du)變(bian)化(hua)(hua)而變(bian)化(hua)(hua)的(de)力(li),該力(li)將通過(guo)彈(dan)簧被施加(jia)(jia)于(yu)慣性質體(ti)(ti)上。具體(ti)(ti)來(lai)說,首(shou)先該力(li)使彈(dan)簧發(fa)生(sheng)彎曲,然后元件主體(ti)(ti)與慣性質體(ti)(ti)的(de)距離會與加(jia)(jia)速(su)(su)度(du)(du)(du)成比(bi)例地(di)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)(hua)。

 

傳(chuan)感(gan)(gan)器的(de)(de)工作原理會(hui)(hui)根據主體(ti)(ti)與(yu)慣(guan)(guan)性質體(ti)(ti)相(xiang)(xiang)對移動的(de)(de)檢測(ce)方式的(de)(de)不同而有(you)所差異(yi)。電(dian)(dian)容(rong)式傳(chuan)感(gan)(gan)器,主體(ti)(ti)與(yu)慣(guan)(guan)性質體(ti)(ti)是相(xiang)(xiang)互絕緣的(de)(de),通過測(ce)量電(dian)(dian)容(rong)來檢測(ce)加(jia)速度(du)。當主體(ti)(ti)與(yu)慣(guan)(guan)性質體(ti)(ti)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)距(ju)離減小時,電(dian)(dian)容(rong)就會(hui)(hui)增加(jia),電(dian)(dian)流會(hui)(hui)向傳(chuan)感(gan)(gan)器的(de)(de)信(xin)號處理IC流動。距(ju)離增加(jia)時,情況則會(hui)(hui)相(xiang)(xiang)反。傳(chuan)感(gan)(gan)器可將主體(ti)(ti)的(de)(de)加(jia)速度(du)轉化為電(dian)(dian)流、電(dian)(dian)荷、電(dian)(dian)壓三者之(zhi)(zhi)一(yi)從而進行測(ce)量。

 

核心技術,傳(chuan)感(gan)器可(ke)通過微小的(de)電容變(bian)化來進行(xing)相關測(ce)量,該模式(shi)特別適合被用于檢測(ce)傳(chuan)感(gan)器的(de)細微運動,且性能卓越。加(jia)速(su)度傳(chuan)感(gan)元件(jian)是以(yi)單晶硅和(he)(he)(he)玻璃為材(cai)料制成的(de),因此傳(chuan)感(gan)器產(chan)品可(ke)輕(qing)松應對使用時間和(he)(he)(he)溫度變(bian)化帶(dai)來的(de)各種挑戰,具有(you)出色的(de)可(ke)靠(kao)性和(he)(he)(he)穩定性以(yi)及前所未有(you)精度。

 

量程(cheng)1g的傳感元件能夠承受超過50,000g標準(zhun)的加(jia)速(su)度(du)(du) (1g=地球引力所產生的重力加(jia)速(su)度(du)(du)) 。電容式的傳感元件不僅能夠測量正負兩個方向(xiang)的加(jia)速(su)度(du)(du),還能檢(jian)測靜止加(jia)速(su)度(du)(du)和振(zhen)動。

 

Low-G加(jia)速(su)度傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)傾斜(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的核心部分,是(shi)兩個位置對稱的以體(ti)型微加(jia)工技(ji)術(shu)制(zhi)成的具有電(dian)容特性(xing)的加(jia)速(su)度傳(chuan)感(gan)器(qi)元(yuan)(yuan)件。對稱的結構不僅(jin)減小了(le)溫(wen)度依(yi)賴性(xing)和(he)它軸靈(ling)敏度,還提升了(le)線性(xing)。密封性(xing)是(shi)通(tong)過以陽極接合(he)的方式使(shi)晶元(yuan)(yuan)相互接合(he)來(lai)實現的。

 

因此,傳感元件的封裝變得更容(rong)易,可(ke)靠(kao)性(xing)也(ye)更好,同時(shi)傳感器內阻尼氣體的使用也(ye)成為可(ke)能。

 

3軸檢測

 

3軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)加(jia)速(su)度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)設計理(li)念是始終沿襲使用(yong)1軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)加(jia)速(su)度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)方式。3軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)加(jia)速(su)度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)元件所用(yong)到(dao)的(de)技術包括由1軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)加(jia)速(su)度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)發展而來(lai)的(de)技術,Bulk MEMS工藝以及電(dian)容檢測結構等(deng)。

 

傳感(gan)器元(yuan)(yuan)件元(yuan)(yuan)件內部(bu)有多個質量塊(kuai),這些通(tong)過分(fen)散(san)MEMS技(ji)術加工(gong)出的質量塊(kuai)被晶元(yuan)(yuan)表(biao)面周圍(wei)的扭(niu)轉彈(dan)簧(huang)支撐著。與表(biao)面MEMS工(gong)藝(yi)相比,厚度(du)和重量都更大,從而可以實(shi)現高靈敏度(du)和低噪(zao)音(yin)。

 

最終的(de)(de)(de)檢(jian)測結果由將多(duo)個質(zhi)量(liang)(liang)(liang)塊的(de)(de)(de)檢(jian)測結果矢量(liang)(liang)(liang)疊加(jia)得到的(de)(de)(de)。質(zhi)量(liang)(liang)(liang)塊的(de)(de)(de)上(shang)下(xia)兩側(ce)具(ju)有(you)電容(rong)檢(jian)測的(de)(de)(de)功能(neng)。當質(zhi)量(liang)(liang)(liang)塊被施加(jia)一個加(jia)速度(du)時,通過扭轉彈簧的(de)(de)(de)作用,質(zhi)量(liang)(liang)(liang)塊會向旋轉方(fang)向運動,從(cong)而(er)質(zhi)量(liang)(liang)(liang)塊上(shang)下(xia)兩側(ce)的(de)(de)(de)電容(rong)會隨之發生變化(hua)。

 

多個質量塊的矢量組成通過內部的ASIC進行合成計算,就能輸出傳感器X,Y,Z三個方向的加速度。根據計算結果就能夠實現3軸的高精度線性響應。

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