《智能傳感器技術》教材配套課件國防科技大學MEMS麥克風8.1MEMS加速度計8.2MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出可感受被測量變化的穩(wěn)定微結(jié)構，配以測量電路實現(xiàn)對各種相關參數(shù)測試和轉(zhuǎn)換的一類傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、易于集成和智能化等優(yōu)點，廣泛應用于醫(yī)療儀器、消費電子、汽車工業(yè)等領域。MEMS陀螺儀8.3MEMS麥克風8.1MEMS加速度計8.2MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出可感受被測量變化的穩(wěn)定微結(jié)構，配以測量電路實現(xiàn)對各種相關參數(shù)測試和轉(zhuǎn)換的一類傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、易于集成和智能化等優(yōu)點，廣泛應用于醫(yī)療儀器、消費電子、汽車工業(yè)等領域。MEMS陀螺儀8.3

MEMS麥克風是采用MEMS工藝將聲音轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，根據(jù)工作原理可以分為電容式、壓電式等。電容式微麥克風應用較為廣泛，本節(jié)重點介紹電容式微麥克風的工作原理、性能指標和應用。基本結(jié)構1

單背板電容式MEMS麥克風主要由振膜、背板、極板間氣隙、背板腔和電極等部分組成，主要結(jié)構是柔性振膜和剛性背板。

電容式MEMS麥克風模型等效為靜態(tài)電容C0，變化電容值CM，背板電極、振膜電極與硅襯底間寄生電容CP1、CP2，兩極板間寄生電阻RP1組成的電路。直流偏置2直流偏置保證MEMS麥克風振膜振動時背板和振膜上電荷量保持穩(wěn)定。

之間基本滿足線性關系

靈敏度1

麥克風靈敏度表示在標準入射聲壓（1kHz、94dBSPL）下，MEMS麥克風輸出端產(chǎn)生的機械和電氣響應。

信噪比2

信噪比是指MEMS麥克風在標準聲壓（1kHz、94dBSPL）下輸出電信號的功率與麥克風本底噪聲引起的輸出信號功率的比值。頻率響應3

頻率響應是表征MEMS麥克風靈敏度與輸入聲波頻率之間關系的指標。通常將標準聲壓下的輸出電信號作為參考電壓，歸一化為0dB。在頻譜上，與標準聲壓下輸出電信號相差3dB的頻率點分別被定義為低頻截止頻率和高頻截止頻率，兩者之間的頻率范圍稱作通頻帶?？傊C波失真4輸出信號比輸入信號多出的諧波成分被定義為總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD）。失真度用百分比表示，通過在基頻以上的五次諧波內(nèi)的功率之和與基頻功率的比值來計算，如下式：

MEMS麥克風廣泛應用于電子產(chǎn)品、汽車行業(yè)、智能家居、專業(yè)音頻、醫(yī)療設備、工業(yè)應用等多種場景。在醫(yī)療領域，微麥克風能夠捕捉到人體內(nèi)部聲音信號，如心跳聲和呼吸聲，可用于心率監(jiān)測、睡眠呼吸分析等，為醫(yī)生提供重要的診斷信息。

MEMS心音采集系統(tǒng)是一個能化信號采集處理系統(tǒng)，主要是由改進聽診器頭、MEMS麥克風傳感器、驅(qū)動模塊、控模塊、電源模塊和通信模塊等構成。

多數(shù)聽診器具有獨立的鐘型件或膜型件。鐘型件傳導低頻聲音最有效，而膜型件傳導高頻聲音最有效，同時擁有兩種特性可以構成復合探頭。

加速度是物體運動速度的變化率，加速度計可以測量作用在物體上的加速度力，以確定物體在空間中的位置并檢測物體運動。MEMS加速度計是一種利用MEMS技術制造的微型加速度計。本小節(jié)主要介紹MEMS加速計的工作原理和代表性MEMS加速度計。加速度計的工作原理1加速度計的工作原理可用彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)表示。彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)由敏感質(zhì)量塊、阻尼器以及彈簧構成。

當對敏感質(zhì)量塊施加外部加速度時，慣性力引起敏感質(zhì)量塊位移，根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量塊的振動方程為：加速度計的工作原理1

將上式在零初始條件下進行拉氏變換：

化簡得到以質(zhì)量塊位移

y作為輸出變量的傳遞函數(shù)：

系統(tǒng)的品質(zhì)因子為：加速度計的工作原理1

當輸入加速度達到穩(wěn)態(tài)時，加速度計質(zhì)量塊的位移也趨于穩(wěn)定值，即敏感質(zhì)量塊的速度與加速度都為零，故可將傳遞函數(shù)化簡為：

從上式可以看出，加速度計敏感質(zhì)量塊的位移與敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量和彈性系數(shù)相關，質(zhì)量塊越大，彈性系數(shù)越小時，即系統(tǒng)的無阻尼諧振角頻率越小時，加速度計敏感質(zhì)量塊的位移越大，也就是加速度計的靈敏度越高。壓阻式MEMS加速度計2

壓阻式加速度計基于壓阻效應，將多個經(jīng)過摻雜或離子注入工藝的電阻排布在梁的應力集中區(qū)，并經(jīng)由金屬引線連接成惠斯通電橋，基本原理如圖所示：

無外部載荷作用時，敏感結(jié)構不發(fā)生形變，壓敏電阻阻值不變，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出。當敏感結(jié)構受到外部載荷作用時，應力分布發(fā)生變化導致電橋不平衡，從而輸出電壓信號，實現(xiàn)了力學量信號到電學量信號的轉(zhuǎn)換。電容式MEMS加速度計3

MEMS電容式加速度計的核心部件是可移動的感應質(zhì)量塊和固定電極，它們之間存在微小的間距，基本原理如圖所示：

當被測物體存在加速度時，感應質(zhì)量塊會受到力的作用，從而產(chǎn)生位移。這個位移量會改變感應質(zhì)量塊與固定電極之間的距離，引起電容值的改變。通過測量電容值的變化，可以計算出物體的加速度。諧振式MEMS加速度計4

諧振式加速度計是基于諧振梁等結(jié)構的力頻特性實現(xiàn)加速度測量的傳感器。硅微諧振式加速度計主要包括諧振器、敏感質(zhì)量塊、杠桿放大機構和支撐機構等部分，如圖所示：

等效慣性力作用于諧振器上，兩諧振器的諧振梁分別感應到拉應力與壓應力，此時兩諧振器諧振頻率點將發(fā)生偏移。對兩諧振器諧振頻率作差，所得到的頻率差信號與外界加載加速度信號成正比，從而實現(xiàn)加速度計對加速度信號的測量。標度因數(shù)1

標度因數(shù)（又稱刻度因數(shù)）是每單位加速度的變化所引起的輸出變化量。在滿量程范圍內(nèi)輸入不同的加速度，獲得對應輸出數(shù)據(jù)，再采用最小二乘法擬合直線的斜率進行估計得到。偏值2

實驗室常溫環(huán)境中，加速度計上電預熱后，在+0g、+1g、?0g和?1g四種加速度下分別計算平均值，再按照下式計算偏值B。零偏穩(wěn)定性3

零偏穩(wěn)定性（又稱0g穩(wěn)定性、零漂）指當輸入加速度為零時，以規(guī)定時間內(nèi)輸出量的標準差表示，它表明加速度計輸出量圍繞其均值的離散程度，表征加速度計輸出的長期穩(wěn)定性。1g穩(wěn)定性4

1g穩(wěn)定性也是加速度計的穩(wěn)定性指標，是指當輸入加速度為1g時，加速度計輸出量圍繞其均值的離散程度。常溫下，使加速度計敏感軸處于垂直狀態(tài)，即在1g附近，通電并以1Hz頻率采集加速度計輸出信號，采樣包括30分鐘的預熱過程和1小時的穩(wěn)定測量過程，也可按上式計算。

MEMS加速度計具有高靈敏度、快速響應、小型化設計和低功耗等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代科技領域中不可或缺的傳感器，廣泛應用于消費電子設備的運動感應、航空航天導航、工業(yè)自動化的機器狀態(tài)監(jiān)測以及醫(yī)療和游戲控制等眾多領域。

在汽車工業(yè)中，安全氣囊的碰撞檢測是加速度計的一個典型應用。當汽車遭受碰撞導致車速急劇變化時，加速度傳感器將感知到的碰撞信號傳輸給點火控制器，控制系統(tǒng)對碰撞的程度進行識別，決定是否發(fā)出點火信號。控制系統(tǒng)和加速度計是是安全氣囊系統(tǒng)的核心，加速度計的性能、控制算法很大程度上決定了發(fā)生碰撞時乘員的安全程度。某汽車安全氣囊智能控制系統(tǒng)硬件和軟件組成，如下圖所示。

陀螺儀是測量物體相對于慣性空間的角速度或角位移的裝置。MEMS陀螺儀是基于微電子機械系統(tǒng)（MEMS）加工技術制作而成的陀螺儀。本節(jié)主要介紹MEMS陀螺儀的工作原理、特性和應用。科里奧利效應1

MEMS陀螺儀通常沒有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，而是采用振動結(jié)構來測角速度，因此MEMS陀螺儀也稱為MEMS振動陀螺儀。振動陀螺儀工作原理是基于科里奧利效應，通過一定形式的裝置產(chǎn)生并檢測科氏加速度。

一個球位于轉(zhuǎn)動的盤子上，并且從盤子轉(zhuǎn)動中心向邊緣作直線運動，它在盤子上所形成的運動軌跡是一條曲線。該軌跡的曲率與轉(zhuǎn)動速率有關。如果從盤子上面觀察，會發(fā)現(xiàn)球有明顯的加速度，即科氏加速度。科里奧利效應1

科氏加速度等于盤子角速度矢量

Ω

和球直線運動速度矢量

v的矢量積：

然沒有實際力作用于球上，但對于盤子上方的觀察者而言，產(chǎn)生了明顯正比于轉(zhuǎn)動角速度的力，這個力就是科氏力。其數(shù)值等于：

科氏力方向的判定采用右手定則：右手四指手指指向（非慣性系中）物體運動方向，再將四指繞向角速度矢量方向，拇指所指方向即科氏力方向?？评飱W利效應1

具體來說，振動陀螺是通過一定的激振方式，使陀螺的振動部件受到驅(qū)動而工作在第一振動模態(tài)，當與第一振動模態(tài)垂直的方向有旋轉(zhuǎn)角速度輸入時，振動部件因科氏效應產(chǎn)生了一個垂直于第一振動模態(tài)的第二振動模態(tài)，該模態(tài)與旋轉(zhuǎn)角速度成正比。微機械陀螺的分類2刻度因子1

陀螺刻度因子是指陀螺輸出與輸入角速度的比值，該比值是根據(jù)整個輸入角度范圍內(nèi)測得的輸入/輸出數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合求出的直線斜率。刻度因子的衍生指標還包括刻度因子精確度、刻度因子線性度、刻度因子不對稱度、刻度因子重復性以及刻度因子溫度靈敏度等。靈敏度2

表征陀螺的靈敏度的指標包括閾值與分辨率。閾值表示陀螺能感應的最小輸入角速度，分辨率表示在規(guī)定的輸入角速度下能感應的最小角速度增量。通常分辨率與帶寬相關，比如某硅陀螺的分辨率<0.05°/s（帶寬>10Hz）。測量范圍3

陀螺的測量范圍為陀螺能感知的正、反方向輸入角速度的最大值，該最大值除以閾值即為陀螺的動態(tài)范圍，該值越大表示陀螺感應速率的能力越強。對于同時提供模擬信號和數(shù)字信號輸出的陀螺，滿量程輸出還可以分別用電壓和數(shù)據(jù)位數(shù)來描述。如某陀螺的測量范圍為±150°/s，滿量程輸出模擬量為±4V，數(shù)字量為-32768~32767。。零偏與零偏穩(wěn)定性4

零偏是指陀螺在零輸入狀態(tài)下的輸出，可以用長時間輸出均值來等效折算輸入角速度。零輸入狀態(tài)下長時間穩(wěn)態(tài)輸出是一個平穩(wěn)的隨機過程，即穩(wěn)態(tài)輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動，習慣采用均方差表示。這種均方差被定義為零偏穩(wěn)定性，也稱為“偏置漂移”或“零漂”。相關指標還包括零偏重復性、零偏溫度靈敏度、零偏溫度速率靈敏度等。比如，某陀螺零偏穩(wěn)定性在25℃條件下為±1°/s。

MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點，已在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、商用航空航天、商用船舶導航以及武器裝備等領域廣泛應用。陀螺穩(wěn)定平臺是利用陀螺儀特性保持運動載體平臺方位穩(wěn)定的裝置（簡稱陀螺平臺、慣性平臺），可以用來測量運動載體姿態(tài)以及用于穩(wěn)定運動載體上的重要設備。

陀螺穩(wěn)定平臺可為導彈導引頭等高精度制導武器提供準確的慣性空間指向。圖為導彈光電導引頭穩(wěn)定平臺結(jié)構圖