MEMS傾角傳感器工作原理

傾角傳感器根據(jù)內部結構主要有三種不同的原理，固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)傾角傳感器。

傾角傳感器的定義

用于測量載體相對于某個參考平面傾斜角度的傳感器。

基本原理

理論基礎就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進而可以計算出直線位移。所以它其實是運用慣性原理的一種加速度傳感器。

當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。

隨著MEMS技術的發(fā)展，慣性傳感器件在過去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計（microaccelerometer）就是慣性傳感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應用，現(xiàn)在的MEMS加速度計有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個芯片上。

傾角傳感器把MCU，MEMS加速度計，模數(shù)轉換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面?？梢灾苯虞敵鼋嵌鹊葍A斜數(shù)據(jù)，讓人們更方便的使用它。

其特點是：硅微機械傳感器測量(MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準面為參考，基準面可被再次校準。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強。承受沖擊振動10000G。

從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器

“固體擺”式慣性器件

固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng)，其由擺錘、擺線、支架組成，擺錘受重力G和擺拉力T的作用，其合外力F為：其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時，可以認為F與θ成線性關系。如應變式傾角傳感器就基于此原理。

“液體擺”式慣性器件

液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根傾角傳感器。電極相互平行且間距相等，當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻RI和RIII。若液體擺水平時，則RI＝RIII。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變，左邊電極浸入深度小，則導電液減少，導電的離子數(shù)減少，電阻RI增大，相對極則導電液增加，導電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。在液體擺的應用中也有根據(jù)液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡會運動使電容發(fā)生變化而感應出傾角的“液體擺”。

氣體擺”式慣性器件

氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性。“氣體擺”式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發(fā)生變化，并且熱線阻值的變化是角度q或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。

“氣體擺”式慣性器件的敏感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是唯一的熱源。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。

當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據(jù)一原理研制的。

氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。因為密閉腔體中氣體的流動是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經(jīng)過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經(jīng)與下部熱線的產生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，因此流過兩根熱線的電流也會發(fā)生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。

固、液、氣體擺性能比較

就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質量是擺錘質量，液體擺的敏感質量是電解液，而氣體擺的敏感質量是氣體。

氣體是密封腔體內的唯一運動體，它的質量較小，在大沖擊或高過載時產生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復雜，影響其運動的因素較多，其精度無法達到軍用武器系統(tǒng)的要求。

固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實用中產品類型較多如電磁擺式，其產品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統(tǒng)中應用也較為廣泛。

液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應用較為廣泛，且國內外產品多為此類。

MEMS工藝的傾角傳感器

和所有加速度計一樣，傳感器單元是差動電容器，其輸出與加速度成比例。加速度計的性能依賴于傳感器的結構設計。差動電容是由懸臂梁構成，而懸臂梁是由很多相間分布的指狀電容電極副構成，一副指狀電容電極可簡化為圖1所示的結構:

MEMS傾角傳感器工作原理

每個指狀電極的電容正比例于固定電極和移動電極之間的重疊面積以及移動電極的位移。顯然，這些都是很小的電容器，并且，為了降低噪聲和提高分辨力，實際上需要盡可能大的差動電容。

懸臂梁的運動是由支撐它的多晶硅彈簧控制。這些彈簧和懸臂梁的質量遵守牛頓第二定律：質量為m的物體，因受力F而產生加速度a，則F=ma。而彈簧的形變與所受力的大小成比例，即F= kx，所以X=(m/k)a

式中 x為位移，單位：m；m為質量，單位：kg；a為加速度，單位：m／s；k為彈簧剛度系數(shù)，單位：N／m。

因此，僅有支撐彈簧的剛度和懸臂梁的質量2個參數(shù)是可控的。減小彈簧系數(shù)似乎是提高懸臂梁靈敏度的一種容易方法，但懸臂梁的共振頻率正比例于彈簧系數(shù)，所以，減小彈簧系數(shù)導致懸臂梁共振頻率降低，而加速度計必須工作在共振頻率之下。此外，增大彈簧系數(shù)使懸臂粱更堅固。所以，如果保持盡可能高的彈簧系數(shù)，只有懸臂梁的質量參數(shù)是可變化的。通常，增大質量意味著增大傳感器的面積，從而使懸臂梁增大。在ADXL202中，設計出一個新穎的懸臂梁結構。構成X軸和y軸可變電容的指狀電極沿著一個正方形四周的懸臂梁集成，從而使整個傳感器的面積減小，而且，共用的大質量的懸臂梁提高分辨力。位于懸臂梁四角的彈簧懸掛系統(tǒng)用以使X軸和y軸的靈敏度耦合減小到最小。

典型應用場合

• 角度測量，水平調整，零位調整傾角開關（十二路開關信號），
• 安全控制，監(jiān)控，報警機械臂，大壩，建筑，橋梁角度測量
• 對準控制，彎曲控制。初始位置控制，傾角姿態(tài)記錄儀汽車四輪定位

傾角傳感器應用特點

可以調節(jié)輸出頻率，內置零位調整，可以根據(jù)要求定制零位調整按鈕，從而實現(xiàn)在一定的角度置零的功能。這對于要測量相對傾角的場合非常有用。使用完畢后可以重新回歸零位。傾角傳感器在這種場合使用，只要將傳感器固定在一定的平面，測量前使用零位按鈕實現(xiàn)清零功能，傳感器在此之后讀出來的數(shù)據(jù)就是相對于該平面的相對傾角。

濾波功能

當要求輸出比較穩(wěn)定時，建議使用比較平緩的輸出，以使輸出的值趨向平和，而變化不至于太劇烈。如果要求非常及時的輸出，比如在測量有較高頻率的振動的場合，可以使用高頻輸出，不過，輸出會因為響應時間非常短而不穩(wěn)定。同時，可以使用內部濾波功能，以實現(xiàn)在振動場合測量傾角的目標。

全量程傾角測量

通過雙軸的配合，可以實現(xiàn)360度傾角的測量。目前產品已經(jīng)非常穩(wěn)定。在一些需要進行全量程傾角測量的場合，選擇360度產品是比較理想的。