MEMS陀螺仪与加速度传感器

由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通 常情况下，压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速 度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重 力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度， 又能感应“静态”加速度。
容感式
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。
四、安全装置的应用
2、笔记本硬盘保护装置
目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了MEMS加 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 续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的 工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大 程度地保护里面的数据。目前在一些先进的移动硬盘上也 使用了这项技术。
MEMS
陀螺仪与加速度传感器
09机制3班
PPT制作： 黎小豪200930510310 PPT演讲： 陈潮新200930510302 资料收集：黎小豪200930510310 叶志华200930510330
陈潮新200930510302
张翰 200930500228
李东胜200930510311
陀螺仪与加速度传感器
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阻尼器
0
Q

2
MEMS加速度传感器基本原理
• 传递函数幅值
由图可见，为提高灵敏度， 需要降低固有频率。 降低固有频率有两个方案： 降低刚度或增大质量。
• 在单位阶跃加速度
• 作用下的响应为
其中 由图可见，对于开环 加速度传感器，为提 高响应速度，传感器 应该具有较大的阻尼 比（即小品质因子）。
MEMS
虽然都是实现同种功能、MEMS陀螺仪有着体积小，耗 能低、最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其 厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良， 硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似， 热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成 技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大 批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技 术大幅度提高。
五、点线接触机器的应用
1、交通工具
因为陀螺仪的方向敏感能力 极高，利用陀螺仪控制轮子，从而 保持平衡 ，具有运动灵活、智能 控制、操作简单、节省能源、绿色 环保、转弯半径为0等优点
五、点线接触机器的应用 2、机器人
利用陀螺仪就很好的解决机 器人的平衡性问题，使机器人不再 那么容易摔倒，日后是机器人发展 的主流
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，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A点沿着一条直线走 到另一端的B点， 你在走的过程中不会感到有任何困难。 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画出一个小圈，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。
三、稳定平台的应用
四、安全装置的应用 五、精确导航应用 六、点线接触机器的应用
一、机器平衡的应用
飞机上有陀螺仪，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 是指示飞机飞行姿态，也叫姿态仪，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 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 以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞行。
？？ ？ ？？？ ？？？ 加速度传感器就是利用了其内部的 ？？？ ？？？ ？？ 由于加速度造成的晶体变形这个特性。 ？？ ？？ ？？ ？
加速度计
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。
MEMS是微机电系统的缩写。 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、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。
科里奥利效应：
• 假定你站在中心附近的那个点上，想要直接从中心出发 的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发 点上，你取得了该点的速度，缓慢地运动。但是，当你向 外走 时，惯性效应使你保持缓慢运动，不过，当你越往 外走的时候，你脚下的台面转动得越快：你本身的慢速和 台面的快速的结合，使你觉得你在被推向与旋转运动相反 的那个方向去。 • 如果旋转游戏台是在反时针方向转动，你就会发现，当 你向外走时，你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲。 如果你从靠近外缘的一点出发向内行进，你就会保持着 出发点的快速运动，但你脚下的台面运动得越来越慢。因 此，你会觉得你在旋转方向上被越推越远。如果旋转游戏 台是逆时针方向运动，那么，你的路线会再次越来越明显 地顺时针方向弯曲。
MEMS陀螺仪传感器基本原理
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 做反向运动的物体组成，如图2所示。当施加角速率时，每个物体上的科里 奥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， 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 向同一方向运动。因此，不会检测到电容变化。
MEMS加速度传感器基本原理
质量块运动方程
0
m cx kx ma x
r r r
k 无阻尼固有频率 m c 阻尼比 2 mk
弹簧
读出传感器 壳体
加速度测量方向
品质因子
Q
1 2
m
tan
1 2 0
检测质量
拉氏变换得传递函数的幅值和 相位分别为
H ( ) X ( ) 1 A( ) ( ) ( / Q)
六、精确导航的应用
集成电子罗盘MEMS传感器可 以使GPS导航更精确，Sensor Platforms公司和其它供应商都在 开发集成有MEMS航位推算功能的系 统，这样你的导航系统就可以跟随 你进入建筑物内（甚至是地铁）而 不迷路。其它的开发者在开发把 GPS、相机、MEMS传感器集成在一 个平台，这样导航系统不但知道使 用者身处何处，还知道使用者看到 些什么，这样屏幕上的数据交互以 确定你寻找的建筑物
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20,000,000
等待
MEMS陀螺仪与加速度传感器目前还不能用于哪个地方？ A.飞机 B.手机 C.耳机 D.相机
MEMS陀螺仪与加速度传感器目前还不能用于哪个地方？
A、飞机
C、耳机
B、手机
D、相机
恭喜你！答对了
一、机器平衡的应用 二、操作装置的应用
MEMS
陀 螺 仪 与 加 速 度 传 感 器
MEMS 用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯
陀螺仪
高速旋转的刚体称为陀螺
陀螺仪与加速度传感器
？ 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。 ？ ？？ ？？ ？
归纳总结
科技领先 体积极小 应用范围极广
总结
功耗低 稳定性好 耐用
小组的话
虽然手机汽车方面可能用到，但毕竟是高端产品才有，所以 MEMS陀螺仪在我们的生活中并不常见，也不熟悉。对于这种传感器， 我们小组还是从iphone手机的三轴陀螺仪开始认识的，经过我们的资 料收集与整理之后，我们慢慢了解到这是一种功能十分广泛和强大的 传感器，日后的应用前景十分广泛。我们觉得它会隐约成为21世纪最 好用的产品之一。 然而，据我们的了解，这种传感器的核心技术还是被外国垄断， 我们国家的技术没有其他国家发达。不仅仅体现在民用方面，更让人 害怕的是在军事方面。如果外国的军事武器都装备这种传感器，可能 是对中国的军事力量一种沉重的打击，在以科技技术是第一生产力也 是综合国力的第一体现的环境下，努力提高科技技术是很必要的。作 为大学生，我们深深感受到责任的重大，鞭策着我们要努力用功，刻 苦学习，细心专研，专心工作，以国家的兴旺发达和国民的幸福安康 为第一己任！
三、稳定平台的应用 2、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 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 炮。同样军舰也是如此。
四、安全装置的应用
1、汽车上的主动控制系统
MEMS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 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 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 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。
一、机器平衡的应用 运用到平衡装置的还有卫星、 轮船、潜艇、武器等等
二、操作装置的应用 1、手机软件、游戏的应用 因为陀螺仪能够感应 到手机6个自由度的变化， 所以对手机的任何移动都 会被传感器记录下来，接 着通过显示器输出，就可 以进行逼真的游戏操作， 使玩家犹如置身于游戏世 界之中 。
点击这里观看手机陀螺仪演示视频
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若采用力反馈控制， 由于相对位移基本被 控制在零位，可以采 用小阻尼或大品质因 子。
技术成熟的MEMS加速度计分为三种
压电式 容感式 热感式
压电式
压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，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。
点击这里观看挥挥鼠M3鼠标演ຫໍສະໝຸດ Baidu视频
三、稳定平台的应用 1、相机、摄像机的光学防抖
光学防抖通过镜头组 实现防抖。依靠磁力包裹 悬浮镜头，从而有效克服 因相机振动产生的图像模 糊，这对于大变焦镜头的 数码相机所能起到的效果 更加明显。通常，镜头内 的陀螺仪侦测到微小的移 动，并且会将信号传至微 处理器，微处理器立即计 算需要补偿的位移量，然 后通过补偿镜片组，根据 镜头的抖动方向及位移量 加以补偿，从而有效的克 服因相机的振动产生的影 像模糊
二、操作装置的应用 2、空中鼠标操作应用
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 为空中鼠标，实现悬空3D操作， 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 解决方案，采用领先的陀螺仪鼠标 技术，利用MEMS（微电子机械系 统）传感器获取手腕在空中的位移 数据，结合MCU（单片机），RF 系统，最终实现指针灵敏运动，对 电脑自如操控。
热感式
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。
陀螺仪用于测量方向，加速度传感器用于测量位移， 两个结合起来就可以直接测量物体运动的矢量了，一切运 动的物体借助自身的能力就可以确认自己的坐标，而不必 要借助于GPS了，然而这只是他们功能的一小小部分， 还有更多的功能能够实现!!!