（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100000）

0 引言

基于FMSA的微機(jī)電系統(tǒng)是一種基于移動(dòng)板或傳感元件引起的電容變化來測量加速度的設(shè)備[1]。FMSA由于其高精度，低溫靈敏度，低功耗，寬動(dòng)態(tài)范圍和微機(jī)械結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)而成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。它具有良好的直流響應(yīng)，良好的信噪比，高負(fù)載阻抗，磁場干擾小，易于實(shí)現(xiàn)自檢，高靈敏度，低漂移和低溫靈敏度，并且可以響應(yīng)靜態(tài)或直流加速度。低頻響應(yīng)，因此已被廣泛使用。在目前的科學(xué)研究和市場占有率中，主要是電容式加速度計(jì)，約占mems加速度計(jì)的一半。

1 工作原理

MEMS技術(shù)是一種基于微米/納米材料的21世紀(jì)尖端技術(shù)，涉及微米/納米材料的設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制。它可以將機(jī)械組件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)組件和電子控制系統(tǒng)集成到一個(gè)單元中。這種微機(jī)電系統(tǒng)不僅能夠收集，處理和發(fā)送信息或指令，而且能夠自主地或根據(jù)獲得的信息根據(jù)外部指令進(jìn)行。它結(jié)合了微電子學(xué)和微制造技術(shù)，生產(chǎn)出各種高性能、廉價(jià)且小型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器以及微系統(tǒng)。MEMS是近年來發(fā)展起來的一種新的跨學(xué)科技術(shù)，它將對未來的人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及許多學(xué)科，例如力學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)以及材料[2]。它由多晶硅指套、質(zhì)量、彈簧組成。多晶硅彈簧將MEMS結(jié)構(gòu)懸掛在基板上方，以便傳感器的主體（也稱為質(zhì)量證明）可以沿X和Y軸移動(dòng)。因此，當(dāng)加速度在某個(gè)方向上時(shí)，質(zhì)量將移動(dòng)得更快。電容器板之間有可移動(dòng)的指套。當(dāng)質(zhì)量靜止時(shí)，質(zhì)量在兩側(cè)的電容相同。手指對產(chǎn)生的位移可以反推加速度的大小。

1.1 電容變化原理

固定電容器，另一端（指套）可以移動(dòng)，使電容值隨質(zhì)量的變化而變化。當(dāng)d0在Δd減小時(shí)，電容增加Δc。也就是說，當(dāng)Δd/d0遠(yuǎn)小于1時(shí)，Δc和Δd近似為線性關(guān)系，一般為Δd/d0～0.02-0.1。

1.2 電容傳感器的靈敏度

靈敏度S是d0的函數(shù)。d0越小，靈敏度越高，但是d0減小并且非線性度增加。靈敏度S是d0的函數(shù)。d0越小，靈敏度越高，但是d0減小并且非線性度增加[3]。

1.3 加速度計(jì)是慣性測量單元的重要組成部分之一

由于制造過程和傳感器安裝中的問題，由于非正交誤差，比例誤差，零偏和未對準(zhǔn)而將誤差引入測量中。未經(jīng)校準(zhǔn)的原始讀數(shù)可能會(huì)嚴(yán)重影響慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。為了獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)估計(jì)，必須將加速度計(jì)和慣性傳感器的軸對齊，并對加速度計(jì)進(jìn)行良好的校準(zhǔn)。

對于測量低加速度的加速度計(jì)，校準(zhǔn)方法通常包括相對于重力放置加速度計(jì)，獲取未校準(zhǔn)的讀數(shù)，然后計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)。這樣的方法可以大致分為兩類：一類依賴于重力的不變性，在本文中稱為總場，另一類依賴于已知的刺激。全場法的優(yōu)點(diǎn)是不需要已知的輸入刺激，這意味著加速度計(jì)在重力場中不需要精確定位。在先前的工作中，這還意味著將車身框架與傳感器框架相關(guān)的信息丟失了。另一方面，依賴于已知刺激的方法具有產(chǎn)生身體框架校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于位置和/或水平誤差，計(jì)算中使用的“已知”刺激不同于實(shí)際刺激，然后將其傳播到校準(zhǔn)系數(shù)中。

傳感器框架校準(zhǔn)步驟取決于重力矢量的不變性：

其中，G是重力加速度，XSF，YSF和ZSF是傳感器框架軸上經(jīng)歷的加速度。擴(kuò)展式（2）的替代結(jié)果是：

該方程在mxx，myy，mzz，mxy，mxz，myz，bx，by和bz中是非線性的。解決這些變量需要在獨(dú)立方向上至少取N=9的加速度計(jì)讀數(shù)。盡管此校準(zhǔn)步驟并未對加速度計(jì)的方向施加任何其他限制，但方便后續(xù)的校準(zhǔn)步驟通過圍繞其車架軸線旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)來定向加速度計(jì)。車身之間的特定角度不需要知道框架軸和重力，但是標(biāo)有星號的旋轉(zhuǎn)軸必須保持其姿態(tài)，在旋轉(zhuǎn)過程中保持恒定。如果包括整數(shù)個(gè)直徑相對的位置對，則45°也可以。

非線性系統(tǒng)可以使用成本函數(shù)（4）用高斯-牛頓算法求解：

其中m=（mxx，myy，mzz，mxy，mxz，myz，bx，by，bz）是九變量解；uui=[xi yi zi]是位置i=1…24處的傳感器讀數(shù)；G是校準(zhǔn)點(diǎn)的重力加速度。通常，加速度計(jì)中有幾對電容器相互平行。這不僅改善了信號值，使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，而且改善了設(shè)備的線性度。如果要在所有三個(gè)方向上測量加速度，則只需要在Z方向上添加一組設(shè)備即可。

2 科學(xué)假設(shè)

2.1 Airpods的使用功能及優(yōu)化

目前市場上流行的耳機(jī)種類繁多，Airpods的體積小巧，使用方便，深受消費(fèi)者喜愛。眾所周知，蘋果Airpods的無線藍(lán)牙耳機(jī)具有以下便捷功能：

當(dāng)我們在路上行走時(shí)，在手機(jī)上聽音樂可能不方便操作，那么我們可以使用Airpods藍(lán)牙耳機(jī)的兩個(gè)功能，當(dāng)我們想要切換歌曲時(shí)，可以用手指輕敲兩個(gè)耳機(jī)之一，因此 Airpods將根據(jù)其中的移動(dòng)速度傳感器切換到下一首歌曲。另外，如果我們想暫停播放，則可以在另一個(gè)耳機(jī)上執(zhí)行相同的操作。如果不小心碰到耳機(jī)，我們可以調(diào)整運(yùn)動(dòng)加速度傳感器的參數(shù)并為需要施加的壓力設(shè)置一個(gè)臨界值。僅當(dāng)壓力大于該值可以正常工作，從而大大降低了出錯(cuò)的可能性。我們還可以更改傳感器在頭戴式耳機(jī)中的位置，例如將其設(shè)置在頭戴式耳機(jī)的頂部，以便我們需要點(diǎn)按頭戴式耳機(jī)的上部以實(shí)現(xiàn)該功能。

比起貼近耳朵的電話交談，使用airpods通話更方便，省力，但同時(shí)，由于麥克風(fēng)的位置離聲源較遠(yuǎn)，因此我們面臨著更大的噪音挑戰(zhàn)。在我們的生活中，不可避免的是我們周圍會(huì)有很多噪音，這會(huì)影響我們通話的質(zhì)量。降低噪音并使聲音更清晰的方法包括：（1）耳機(jī)中的語音加速度傳感器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可以檢測用戶產(chǎn)生的振動(dòng)，因此聲帶振動(dòng)產(chǎn)生的聲音將占主導(dǎo)地位，從而改善通話質(zhì)量[4]。（2）使用波束成形技術(shù)的Airpods的MEMS麥克風(fēng)可以配置為陣列以形成定向響應(yīng)或波束場，對來自一個(gè)或多個(gè)特定方向的聲音更敏感。使用語音加速度計(jì)，它可以濾除背景噪音并清楚地鎖定用戶的語音。

2.2 汽車安全氣囊內(nèi)部原理

汽車安全氣囊傳感器按結(jié)構(gòu)可分為三種類型：機(jī)械、機(jī)電和電子。每種傳感器都有其自身的價(jià)值，可以在保證車內(nèi)人員生命安全的前提下，進(jìn)一步減少經(jīng)濟(jì)損失。如果我們在日常開車中，只是輕微的摩擦或撞擊，會(huì)不會(huì)也彈出安全氣囊，從而造成不必要的浪費(fèi)，上述問題值得關(guān)注。（1）轎廂中的機(jī)械傳感器將檢測轎廂中傳感器重量塊的減速度。當(dāng)達(dá)到特定值時(shí)，傳感器重量塊會(huì)將其機(jī)械能直接傳遞給啟動(dòng)器，從而使安全氣囊彈出。低速輕微撞擊不會(huì)導(dǎo)致安全氣囊彈出。（2）轎廂內(nèi)的電子加速度傳感器連續(xù)測量轎廂的前進(jìn)減速速度。轎廂的速度越大，碰撞后產(chǎn)生的減速力就越大，輸出電壓也就越大[5]。當(dāng)達(dá)到某個(gè)值時(shí)，安全氣囊彈出。

3 結(jié)語

基于MEMS的指插式微機(jī)械硅加速度計(jì)是一種智能化的器件，可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。由于其可將機(jī)械組件，光學(xué)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)組建和電子控制系統(tǒng)集成到一個(gè)單元上，在未來它將會(huì)在我們生活的各個(gè)方面嶄露頭角。此外，本文還以蘋果耳機(jī)Airpods和汽車安全氣囊內(nèi)部的加速度傳感器為例，一方面論述了該傳感器在我們?nèi)粘Ｉ钪械脑砑斑\(yùn)用，另一方面也闡述了一些該器件目前仍存在的不足以及對未來發(fā)展的一些展望，目的是更加便利人們的生產(chǎn)生活，讓人們的生活質(zhì)量進(jìn)一步提高。