MEMS运动传感器简介
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MEMS运动传感器主要有加速度计、陀螺仪、磁力计三大类,其中加速度计与陀螺仪更为常见,常称为惯性传感器。加速度计和陀螺仪可以集成为六轴惯性传感器;磁力计和加速度计集成为电子罗盘(e-compass),加速度计、陀螺仪和磁力计可集成为9轴传感器。
1、MEMS陀螺仪
传统的陀螺仪是一个不停转动的物体,根据角动量守恒原理,测量出陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,从而判断物体的运动状态。
传统陀螺仪的结构

MEMS陀螺仪的基本结构设计

MEMS陀螺仪的核心原理为科里奥利力,其内部结构主要分为梳齿结构的驱动部分和电容板形状的传感部分。在可移动电容板上加震荡电压后,可以通过科里奥利力来探测出电容变化,再从电容的变化计算出角速度。
消费级无人机采用MEMS陀螺仪来提高飞行稳定性

加载MEMS陀螺仪的智能手套,帮残疾人进行恢复训练

2、MEMS加速度计
加速度计的结构组件主要有检测质量、弹簧、电位器、阻尼器等。通过测量在任一轴向的受力情况,可以得到该方向的加速度的大小。因此加速度计可以通过探测不同轴向的受力情况,从而感知任意方向上的加速度。
传统加速度计的结构

MEMS加速度计的结构

MEMS加速度计和传统的加速度计形似,主要分为压电式、容感式和热感式三种。
MEMS加速度计的主要分类

三轴MEMS加速度计在车身安全、控制系统中的应用

三轴MEMS加速度计在消费产品中的应用

3、MEMS磁力计
磁力计通过测试磁场强度和方向可以定位设备的方位,比如可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。以意法半导体的MEMS传感器LSM303DLH为例,该磁力计采用各向异性磁致电阻(AMR)材料,该材料对外界的磁场很敏感,其中磁场方向和电流的夹角θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线性关系,而AMR阻值的变化又可以通过惠斯通电桥检测得到。
AMR材料示意图

磁场方向和电流方向的夹角,惠斯通电桥电路

4、电子罗盘
电子罗盘俗称电子指南针,能实时提供移动物体的航向和姿态,目前大多智能手机上都实现了这个功能。电子罗盘集成了MEMS加速度计和磁力计,作为导航仪器或姿态传感器已被广泛应用于航空、车辆自主导航、机器人等领域。电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。
智能手机中的电子罗盘

电子罗盘的分类

在实际应用中,每个运动传感器各有优劣,所以将陀螺仪、加速度计和磁力计融合使用,有助于提
升传感器的运算精度。譬如陀螺仪长时间使用会产生漂移,电子罗盘(加速度计+磁力计)可为陀螺仪提供参考系并完成校准功能;磁力计易受环境影响发生倾斜,惯性传感器(加速度计+陀螺仪)可为磁力计做倾角补偿;而加速度计、陀螺仪和磁力计集成的9轴传感器集成度高,性能强劲,适合高精度的应用场景。
以模拟导弹发射为例,加速度计确定导弹的速度,长时间测量值正确,但是短时间内测量值由于信号噪声而有偏差。陀螺仪确定导弹的角速度,较短时间内测量值比较准确,但是长时间使用会产生漂移从而有测量误差。但是结合双方优势还不够,还需要磁力计来进行倾角补偿,才能使导弹发射的轨迹符合预期。
MEMS运动传感器的优势可以形成互补

模拟导弹发射(加速度,磁力计,陀螺仪三者的融合)

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