MEMS 加速度計：使用質(zhì)量彈簧阻尼結(jié)構(gòu)測量加速度

    用于傳感加速度的質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    MEMS 技術(shù)使我們能夠在同一硅芯片上實現(xiàn)該機(jī)械系統(tǒng)的非常小的版本以及所需的信號調(diào)節(jié)電子器件，以擁有完整的傳感解決方案。
       圖 1. 質(zhì)量-彈簧-阻尼器結(jié)構(gòu)。
    MEMS 技術(shù)借鑒了微電子行業(yè)基于光刻的微加工技術(shù)，并將其與其他制造技術(shù)相結(jié)合，從而能夠在硅芯片上創(chuàng)建可移動部件。

    微制造技術(shù)的進(jìn)步有助于實現(xiàn)當(dāng)今小型、低成本的微機(jī)械加速度計，圖 2 所示就是一個例子。

    圖 2. CMOS MEMS 加速度計的掃描電子顯微照片 (SEM)。
    圖 2.  CMOS MEMS 加速度計的掃描電子顯微照片 (SEM)。圖片由K.Zhang提供
    在上一篇文章中，我們簡要提到阻尼器在加速度計操作中起著至關(guān)重要的作用。在嘗試導(dǎo)出質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)之前，現(xiàn)在是更熟悉系統(tǒng)的這一重要部分的好時機(jī)。
    MEMS 加速度計中的阻尼機(jī)制
    阻尼器對耗散力進(jìn)行建模，該耗散力會減少質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)的機(jī)械能并減慢檢驗質(zhì)量的運動。
    MEMS 加速度計的主要阻尼機(jī)制之一是運動質(zhì)量與周圍空氣分子之間發(fā)生的內(nèi)摩擦。事實上，可以在極低的壓力下封裝基于 MEMS 的加速度計，以減少空氣阻尼的影響。然而，一般來說，空氣阻尼是 MEMS 加速度計能量損失的主要來源。
    其他常見的阻尼來源是結(jié)構(gòu)阻尼和熱阻尼。
    結(jié)構(gòu)阻尼考慮了 MEMS 器件中使用的組件結(jié)構(gòu)引起的能量損失。
    熱阻尼對應(yīng)于MEMS結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系隨溫度變化的偏差。阻尼器施加在檢驗質(zhì)量上的總減速力通常被建模為與檢驗質(zhì)量的速度成比例的力。
    該力作用于質(zhì)量運動的相反方向，由下式給出：
       其中b表示阻尼系數(shù)，v表示檢驗質(zhì)量的速度。
    請注意，當(dāng)物體非常小時（微加工結(jié)構(gòu)就是這種情況），空氣阻力與物體的速度成正比。
    一般來說，空氣阻力與 物體的速度有復(fù)雜的關(guān)系。例如，大型物體（例如在空中移動的跳傘運動員）可能會受到與物體速度的平方成正比的阻力。