加速度传感器的分类和MEMS电容式加速度传感器

本文的关键要点:

・通常,测量范围在20G以下的称为“低G加速度型”,超过20G的则归类为“高G加速度型”。

・即使同为加速度传感器也会因种类不同而具有不同的特性,因此根据具体应用场景进行选型非常重要。

上篇文章介绍了加速度传感器的原理。本文我们将介绍加速度传感器的分类以及在IoT领域需求较大的MEMS电容式加速度传感器。

加速度传感器的分类

加速度传感器的分类因使用的标准不同而有所差异,但从测量范围来看,可以分为“低G加速度型”和“高G加速度型”。

加速度センサの分類

通常将测量范围在20G以下的传感器归类为低G加速度型,超过20G的传感器归类为高G加速度型。低G加速度传感器主要用于检测重力、倾斜或人体等的运动,而高G加速度传感器则主要用于检测冲击。

近年来,采用半导体MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术的加速度传感器在小型便携式设备和IoT设备中得到广泛应用,该类传感器非常适合小型化和智能化的应用场景。MEMS加速度传感器通常由检测加速度的元件和调整来自该元件的信号以方便处理的信号处理电路组成。其主要类型包括电容式、压阻式和热对流式。该传感器的原理和特点简要汇总如下。即使是同类型的传感器,其型号也多种多样,因此所列特点仅为一个整体框架。

类型 原理 特点
电容式 由元件的固定电极和可动电极构成,通过检测可动电极因加速度产生位移时所引起的电极间的电容来实现测量。
  • 温度特性优异,精度较高,适用于低加速度测量。
  • 广泛应用于姿态控制等领域。
  • 尺寸和成本俱佳。
压阻式 通过弹簧上配置的压阻元件检测出弹簧支撑的质量块位移来实现测量。
  • 结构相对简单,在三种类型中体积最小且成本最低。
  • 精度比其他两种低。
  • 适用于小型设备,尤其在游戏机和便携设备中应用广泛。
热对流式 通过检测腔体内受热气体的气流因加速度发生变化所导致的测温阻值的变化来实现测量。
  • 由于没有机械活动部件,因此抗冲击和振动能力较强。
  • 成本较低。
  • 检测频率带宽较窄,只有数十Hz。

MEMS电容式加速度传感器

MEMS电容式加速度传感器广泛应用于姿态控制等领域,下面将通过展示实际的MEMS电容式加速度传感器的元件部分对其工作原理进行具体介绍。下图是SEM(扫描电子显微镜)的图像。

MEMS静電容量方式加速度センサのSEM(電子走査顕微鏡)画像

该传感器器件由采用硅制成的固定电极、可动电极和弹簧组成。在未施加加速度的状态下,固定电极与可动电极之间的距离相等。当施加加速度时,可动电极产生位移,导致其与固定电极的位置关系发生变化,从而引起电极间的电容变化。产生的电容变化通过内部的信号处理电路(如ASIC等)转换为电压,并据此计算加速度。

在选择加速度传感器时,需注意即使是同为加速度传感器也会因种类不同而具有不同的特性,因此了解其检测原理并根据应用场景进行选型非常重要。

加速度传感器的应用案例

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