关于指叉式微型硅加速度传感器的综述

（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100000）

0 引言

基于FMSA的微机电系统是一种基于移动板或传感元件引起的电容变化来测量加速度的设备[1]。FMSA由于其高精度，低温灵敏度，低功耗，宽动态范围和微机械结构等优点而成为国内外研究的热点。它具有良好的直流响应，良好的信噪比，高负载阻抗，磁场干扰小，易于实现自检，高灵敏度，低漂移和低温灵敏度，并且可以响应静态或直流加速度。低频响应，因此已被广泛使用。在目前的科学研究和市场占有率中，主要是电容式加速度计，约占mems加速度计的一半。

1 工作原理

MEMS技术是一种基于微米/纳米材料的21世纪尖端技术，涉及微米/纳米材料的设计、加工、制造、测量和控制。它可以将机械组件、光学系统、驱动组件和电子控制系统集成到一个单元中。这种微机电系统不仅能够收集，处理和发送信息或指令，而且能够自主地或根据获得的信息根据外部指令进行。它结合了微电子学和微制造技术，生产出各种高性能、廉价且小型化的传感器、执行器、驱动器以及微系统。MEMS是近年来发展起来的一种新的跨学科技术，它将对未来的人类生活产生革命性的影响。它涉及许多学科，例如力学、电子学、化学、物理学、光学、生物学以及材料[2]。它由多晶硅指套、质量、弹簧组成。多晶硅弹簧将MEMS结构悬挂在基板上方，以便传感器的主体（也称为质量证明）可以沿X和Y轴移动。因此，当加速度在某个方向上时，质量将移动得更快。电容器板之间有可移动的指套。当质量静止时，质量在两侧的电容相同。手指对产生的位移可以反推加速度的大小。

1.1 电容变化原理

固定电容器，另一端（指套）可以移动，使电容值随质量的变化而变化。当d0在Δd减小时，电容增加Δc。也就是说，当Δd/d0远小于1时，Δc和Δd近似为线性关系，一般为Δd/d0～0.02-0.1。

1.2 电容传感器的灵敏度

灵敏度S是d0的函数。d0越小，灵敏度越高，但是d0减小并且非线性度增加。灵敏度S是d0的函数。d0越小，灵敏度越高，但是d0减小并且非线性度增加[3]。

1.3 加速度计是惯性测量单元的重要组成部分之一

由于制造过程和传感器安装中的问题，由于非正交误差，比例误差，零偏和未对准而将误差引入测量中。未经校准的原始读数可能会严重影响惯性导航系统的准确性。为了获得准确的姿态估计，必须将加速度计和惯性传感器的轴对齐，并对加速度计进行良好的校准。

对于测量低加速度的加速度计，校准方法通常包括相对于重力放置加速度计，获取未校准的读数，然后计算校准系数。这样的方法可以大致分为两类：一类依赖于重力的不变性，在本文中称为总场，另一类依赖于已知的刺激。全场法的优点是不需要已知的输入刺激，这意味着加速度计在重力场中不需要精确定位。在先前的工作中，这还意味着将车身框架与传感器框架相关的信息丢失了。另一方面，依赖于已知刺激的方法具有产生身体框架校准的优点。但是，由于位置和/或水平误差，计算中使用的“已知”刺激不同于实际刺激，然后将其传播到校准系数中。

传感器框架校准步骤取决于重力矢量的不变性：

其中，G是重力加速度，XSF，YSF和ZSF是传感器框架轴上经历的加速度。扩展式（2）的替代结果是：

该方程在mxx，myy，mzz，mxy，mxz，myz，bx，by和bz中是非线性的。解决这些变量需要在独立方向上至少取N=9的加速度计读数。尽管此校准步骤并未对加速度计的方向施加任何其他限制，但方便后续的校准步骤通过围绕其车架轴线旋转加速度计来定向加速度计。车身之间的特定角度不需要知道框架轴和重力，但是标有星号的旋转轴必须保持其姿态，在旋转过程中保持恒定。如果包括整数个直径相对的位置对，则45°也可以。

非线性系统可以使用成本函数（4）用高斯-牛顿算法求解：

其中m=（mxx，myy，mzz，mxy，mxz，myz，bx，by，bz）是九变量解；uui=[xi yi zi]是位置i=1…24处的传感器读数；G是校准点的重力加速度。通常，加速度计中有几对电容器相互平行。这不仅改善了信号值，使数据更准确，而且改善了设备的线性度。如果要在所有三个方向上测量加速度，则只需要在Z方向上添加一组设备即可。

2 科学假设

2.1 Airpods的使用功能及优化

目前市场上流行的耳机种类繁多，Airpods的体积小巧，使用方便，深受消费者喜爱。众所周知，苹果Airpods的无线蓝牙耳机具有以下便捷功能：

当我们在路上行走时，在手机上听音乐可能不方便操作，那么我们可以使用Airpods蓝牙耳机的两个功能，当我们想要切换歌曲时，可以用手指轻敲两个耳机之一，因此 Airpods将根据其中的移动速度传感器切换到下一首歌曲。另外，如果我们想暂停播放，则可以在另一个耳机上执行相同的操作。如果不小心碰到耳机，我们可以调整运动加速度传感器的参数并为需要施加的压力设置一个临界值。仅当压力大于该值可以正常工作，从而大大降低了出错的可能性。我们还可以更改传感器在头戴式耳机中的位置，例如将其设置在头戴式耳机的顶部，以便我们需要点按头戴式耳机的上部以实现该功能。

比起贴近耳朵的电话交谈，使用airpods通话更方便，省力，但同时，由于麦克风的位置离声源较远，因此我们面临着更大的噪音挑战。在我们的生活中，不可避免的是我们周围会有很多噪音，这会影响我们通话的质量。降低噪音并使声音更清晰的方法包括：（1）耳机中的语音加速度传感器经过专门设计，可以检测用户产生的振动，因此声带振动产生的声音将占主导地位，从而改善通话质量[4]。（2）使用波束成形技术的Airpods的MEMS麦克风可以配置为阵列以形成定向响应或波束场，对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。使用语音加速度计，它可以滤除背景噪音并清楚地锁定用户的语音。

2.2 汽车安全气囊内部原理

汽车安全气囊传感器按结构可分为三种类型：机械、机电和电子。每种传感器都有其自身的价值，可以在保证车内人员生命安全的前提下，进一步减少经济损失。如果我们在日常开车中，只是轻微的摩擦或撞击，会不会也弹出安全气囊，从而造成不必要的浪费，上述问题值得关注。（1）轿厢中的机械传感器将检测轿厢中传感器重量块的减速度。当达到特定值时，传感器重量块会将其机械能直接传递给启动器，从而使安全气囊弹出。低速轻微撞击不会导致安全气囊弹出。（2）轿厢内的电子加速度传感器连续测量轿厢的前进减速速度。轿厢的速度越大，碰撞后产生的减速力就越大，输出电压也就越大[5]。当达到某个值时，安全气囊弹出。

3 结语

基于MEMS的指插式微机械硅加速度计是一种智能化的器件，可应用于多个领域。由于其可将机械组件，光学系统，驱动组建和电子控制系统集成到一个单元上，在未来它将会在我们生活的各个方面崭露头角。此外，本文还以苹果耳机Airpods和汽车安全气囊内部的加速度传感器为例，一方面论述了该传感器在我们日常生活中的原理及运用，另一方面也阐述了一些该器件目前仍存在的不足以及对未来发展的一些展望，目的是更加便利人们的生产生活，让人们的生活质量进一步提高。