前文介紹了陀螺儀和加速度計(jì)是構(gòu)成IMU慣性測(cè)量單元的主要部件，前面已經(jīng)詳細(xì)介紹了各種陀螺儀，包括MEMS陀螺儀的技術(shù)及應(yīng)用，下面我們就也簡(jiǎn)單介紹一下MEMS加速度計(jì)的基本原理和技術(shù)產(chǎn)品。

加速度計(jì)是一種慣性傳感器，能夠測(cè)量物體的加速力。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，就比如地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）加速度計(jì)就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計(jì)具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)成熟的MEMS加速度計(jì)分為三種：壓電式、容感式、熱感式，這三種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

壓電式MEMS加速度計(jì)運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。

容感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積，也就是說(shuō)由于加速度使得機(jī)械懸臂與兩個(gè)電極之間的距離發(fā)生變化，從而改變了兩個(gè)電容的參數(shù)。通過(guò)測(cè)量電容變化量來(lái)計(jì)算加速度。

熱感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部沒(méi)有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周?chē)睦錃馐怯胁町惖?，通過(guò)慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。

由于壓電式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計(jì)只能感應(yīng)到“動(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

現(xiàn)在比較常用的MEMS加速度計(jì)主要是容感式加速度計(jì)，它的工作原理就是靠MEMS中可移動(dòng)部分的慣性。由于中間電容板的質(zhì)量很大，而且它是一種懸臂構(gòu)造，當(dāng)速度變化或者加速度達(dá)到足夠大時(shí)，它所受到的慣性力超過(guò)固定或者支撐它的力，這時(shí)候它會(huì)移動(dòng)，它跟上下電容板之間的距離就會(huì)變化，上下電容就會(huì)因此變化。電容的變化跟加速度成正比。根據(jù)不同測(cè)量范圍，中間電容板懸臂構(gòu)造的強(qiáng)度或者彈性系數(shù)可以設(shè)計(jì)得不同。電容式加速度計(jì)能夠感測(cè)不同方向的加速度或振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀況。如果要測(cè)量不同方向的加速度，這個(gè)MEMS的結(jié)構(gòu)會(huì)有很大的不同。

    電容的變化會(huì)被另外一塊專(zhuān)用芯片轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，通過(guò)集成的開(kāi)關(guān)電容放大電路量測(cè)電容參數(shù)的變化，形成了與加速度成正比的電壓輸出。有時(shí)還會(huì)把這個(gè)電壓信號(hào)放大。電壓信號(hào)在數(shù)字化后經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，在零點(diǎn)和靈敏度校正后輸出。因此3軸加速度傳感器必然包含一個(gè)單純的機(jī)械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內(nèi)部有成群移動(dòng)的電子，主要測(cè)量XY及Z軸的區(qū)域，后者則將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出.

加速度計(jì)還有一個(gè)自測(cè)試功能。當(dāng)它剛通電時(shí)，邏輯控制會(huì)向自測(cè)試電路發(fā)出命令。自測(cè)試電路產(chǎn)生一個(gè)直流電壓加載到MEMS芯片的自測(cè)試電路板上，中間可活動(dòng)電容板就會(huì)因靜電吸引而下移。接下來(lái)的處理過(guò)程跟測(cè)試真的加速度一樣。 

加速度傳感器針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，也在特性上體現(xiàn)為不同的規(guī)格。用戶(hù)需根據(jù)自身的具體需要選取最適合的產(chǎn)品。如汽車(chē)車(chē)身沖擊傳感器或洗衣機(jī)等家電的振動(dòng)傳感器等來(lái)說(shuō)，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對(duì)于硬盤(pán)的跌落和振動(dòng)保護(hù)，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設(shè)備的姿態(tài)識(shí)別和動(dòng)作檢測(cè)只需低頻（0~20Hz）產(chǎn)品即可。加速度傳感器的選取還需要考慮滿(mǎn)量程（FullScale，F(xiàn)S）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿(mǎn)量程表示傳感器可測(cè)量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與ADC等級(jí)有關(guān)，是產(chǎn)生測(cè)量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入?yún)?shù)最小增量。除此之外，加速度傳感器按輸出的不同還可分為模擬式和數(shù)字式兩種。其中模擬式加速度傳感器輸出值為電壓，還需要在系統(tǒng)中添加模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）；數(shù)字式加速度傳感器的接口芯片中已經(jīng)集成了ADC電路，可直接以SPI或I2C等實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸。數(shù)字式產(chǎn)品在成本上也有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楦哔|(zhì)量ADC通常比較昂貴，價(jià)格甚至可超過(guò)傳感器部分的單獨(dú)售價(jià)。

三軸加速度傳感器的應(yīng)用主要有以下：

1、車(chē)身安全、控制及導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

　加速度傳感器在進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)之前，實(shí)際上已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子領(lǐng)域，主要集中在車(chē)身操控、安全系統(tǒng)和導(dǎo)航，典型的應(yīng)用如汽車(chē)安全氣囊、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。

目前車(chē)身安全越來(lái)越得到人們的重視，汽車(chē)中安全氣囊的數(shù)量越來(lái)越多，相應(yīng)對(duì)傳感器的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。整個(gè)氣囊控制系統(tǒng)包括車(chē)身外的沖擊傳感器、安置于車(chē)門(mén)、車(chē)頂，和前后座等位置的加速度傳感器、電子控制器，以及安全氣囊等。電子控制器通常為16位或32位MCU，當(dāng)車(chē)身受到撞擊時(shí)，沖擊傳感器會(huì)在幾微秒內(nèi)將信號(hào)發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會(huì)立即根據(jù)碰撞的強(qiáng)度、乘客數(shù)量及座椅/安全帶的位置等參數(shù)，配合分布在整個(gè)車(chē)廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和做出相應(yīng)評(píng)估，并在最短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電爆驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)安全氣囊保證乘客的生命安全。

除了車(chē)身安全系統(tǒng)這類(lèi)重要應(yīng)用以外，目前加速度傳感器在導(dǎo)航系統(tǒng)中的也在扮演重要角色。專(zhuān)家預(yù)測(cè)便攜式導(dǎo)航設(shè)備將成為中國(guó)市場(chǎng)的熱點(diǎn)，其主要利于GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。而當(dāng)進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會(huì)因失去信號(hào)而喪失導(dǎo)航功能?；贛EMS技術(shù)的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤(pán)等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)，對(duì)GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。

2、硬盤(pán)抗沖擊防護(hù)

目前由于海量數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)方面的需求，硬盤(pán)和光驅(qū)等元器件被廣泛應(yīng)用到筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝相機(jī)、便攜式DVD機(jī)等設(shè)備中。便攜式設(shè)備由于其應(yīng)用場(chǎng)合的原因，經(jīng)常會(huì)意外跌落或受到碰撞，而造成對(duì)內(nèi)部元器件的巨大沖擊。

為了使設(shè)備以及其中數(shù)據(jù)免受損傷，越來(lái)越多的用戶(hù)對(duì)便攜式設(shè)備的抗沖擊能力提出要求。一般便攜式產(chǎn)品的跌落高度為1.2-1.3米，其在撞擊大理石質(zhì)地面時(shí)會(huì)受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設(shè)計(jì)可由設(shè)備外殼或PCB板來(lái)分解大部分沖擊力，但硬盤(pán)等高速旋轉(zhuǎn)的器件卻在此類(lèi)沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤(pán)中內(nèi)置3軸加速度傳感器，當(dāng)?shù)浒l(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到加速的突然變化，并執(zhí)行相應(yīng)的自我保護(hù)操作，如關(guān)閉抗震性能差的電子或機(jī)械器件，從而避免其受損，或發(fā)生硬盤(pán)磁頭損壞或刮傷盤(pán)片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的情況。

目前最新手提電腦里就內(nèi)置了MEMS加速度計(jì)，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤(pán)還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤(pán)損害，最大程度地保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。目前在一些先進(jìn)的移動(dòng)硬盤(pán)上也使用了這項(xiàng)技術(shù)。

3、消費(fèi)產(chǎn)品中的創(chuàng)新應(yīng)用

　三軸加速度傳感器為傳統(tǒng)消費(fèi)及手持電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了革命性的創(chuàng)新空間。其可被安裝在游戲機(jī)手柄上，作為用戶(hù)動(dòng)作采集器來(lái)感知其手臂前后、左右，和上下等的移動(dòng)動(dòng)作，并在游戲中轉(zhuǎn)化為虛擬的場(chǎng)景動(dòng)作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚(yú)竿等，把過(guò)去單純的手指運(yùn)動(dòng)變成真正的肢體和身體的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)比以往按鍵操作所不能實(shí)現(xiàn)的臨場(chǎng)游戲感和參與感。

• 姿態(tài)與動(dòng)作識(shí)別

　　三軸加速度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，除了文中提到的游戲動(dòng)作操控外，還能用于手持設(shè)備的姿態(tài)識(shí)別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設(shè)備可實(shí)現(xiàn)畫(huà)面自動(dòng)轉(zhuǎn)向。iPod Touch就內(nèi)建了此功能，設(shè)備顯示的畫(huà)面和信息會(huì)根據(jù)用戶(hù)的動(dòng)作而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其通過(guò)內(nèi)部傳感器對(duì)重力向量的方向檢測(cè)來(lái)確定設(shè)備處于水平或垂直狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整顯示狀態(tài)，給用戶(hù)帶來(lái)方便。

　　傳感器對(duì)震動(dòng)的感知性能也可將以前傳統(tǒng)的按鍵動(dòng)作變化為震動(dòng)，用戶(hù)可通過(guò)單次或多次震動(dòng)來(lái)進(jìn)行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴(kuò)展至對(duì)用戶(hù)界面元素的操控。如屏幕顯示內(nèi)容的上下左右等方向的瀏覽可通過(guò)傾斜手持設(shè)備來(lái)完成。

• 應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)

在運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練中，MEMS傳感器可以用來(lái)進(jìn)行3D人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量，對(duì)每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行記錄，教練們對(duì)結(jié)果分析，反復(fù)比較，以便提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，MEMS傳感器的價(jià)格也會(huì)隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應(yīng)用。

在滑雪方面，3D運(yùn)動(dòng)追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動(dòng)數(shù)據(jù)外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運(yùn)動(dòng)追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時(shí)間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

• 功耗控制

　功耗一直是便攜設(shè)備設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素，內(nèi)置3軸加速度傳感器則使設(shè)備可通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的使用狀況來(lái)對(duì)其用電模式加以控制，從而有效延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

　此外，3軸加速度傳感器還可用于電子計(jì)步器，為電子羅盤(pán)提供補(bǔ)償功能，也可用于數(shù)碼相機(jī)的防抖。以上提到的種種創(chuàng)新應(yīng)用使其成為下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必不可少的元件。