前文介紹了陀螺儀和加速度計是構成IMU慣性測量單元的主要部件，前面已經(jīng)詳細介紹了各種陀螺儀，包括MEMS陀螺儀的技術及應用，下面我們就也簡單介紹一下MEMS加速度計的基本原理和技術產(chǎn)品。

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

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

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

壓電式MEMS加速度計運用的是壓電效應，在其內部有一個剛體支撐的質量塊，有運動的情況下質量塊會產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應變，把加速度轉變成電信號輸出。

容感式MEMS加速度計內部也存在一個質量塊，從單個單元來看，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動活動質量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，也就是說由于加速度使得機械懸臂與兩個電極之間的距離發(fā)生變化，從而改變了兩個電容的參數(shù)。通過測量電容變化量來計算加速度。

熱感式MEMS加速度計內部沒有任何質量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個熱氣團，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團的移動形成的熱場變化讓感應器感應到加速度值。

由于壓電式MEMS加速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計只能感應到“動態(tài)”加速度，而不能感應到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動態(tài)”加速度，又能感應“靜態(tài)”加速度。

現(xiàn)在比較常用的MEMS加速度計主要是容感式加速度計，它的工作原理就是靠MEMS中可移動部分的慣性。由于中間電容板的質量很大，而且它是一種懸臂構造，當速度變化或者加速度達到足夠大時，它所受到的慣性力超過固定或者支撐它的力，這時候它會移動，它跟上下電容板之間的距離就會變化，上下電容就會因此變化。電容的變化跟加速度成正比。根據(jù)不同測量范圍，中間電容板懸臂構造的強度或者彈性系數(shù)可以設計得不同。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。如果要測量不同方向的加速度，這個MEMS的結構會有很大的不同。

    電容的變化會被另外一塊專用芯片轉化成電壓信號，通過集成的開關電容放大電路量測電容參數(shù)的變化，形成了與加速度成正比的電壓輸出。有時還會把這個電壓信號放大。電壓信號在數(shù)字化后經(jīng)過一個數(shù)字信號處理過程，在零點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單純的機械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內部有成群移動的電子，主要測量XY及Z軸的區(qū)域，后者則將電容值的變化轉換為電壓輸出.

加速度計還有一個自測試功能。當它剛通電時，邏輯控制會向自測試電路發(fā)出命令。自測試電路產(chǎn)生一個直流電壓加載到MEMS芯片的自測試電路板上，中間可活動電容板就會因靜電吸引而下移。接下來的處理過程跟測試真的加速度一樣。 

加速度傳感器針對不同的應用場景，也在特性上體現(xiàn)為不同的規(guī)格。用戶需根據(jù)自身的具體需要選取最適合的產(chǎn)品。如汽車車身沖擊傳感器或洗衣機等家電的振動傳感器等來說，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對于硬盤的跌落和振動保護，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設備的姿態(tài)識別和動作檢測只需低頻（0~20Hz）產(chǎn)品即可。加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程（FullScale，F(xiàn)S）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿量程表示傳感器可測量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與ADC等級有關，是產(chǎn)生測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，因為高質量ADC通常比較昂貴，價格甚至可超過傳感器部分的單獨售價。

三軸加速度傳感器的應用主要有以下：

1、車身安全、控制及導航系統(tǒng)中的應用

　加速度傳感器在進入消費電子市場之前，實際上已被廣泛應用于汽車電子領域，主要集中在車身操控、安全系統(tǒng)和導航，典型的應用如汽車安全氣囊、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。

目前車身安全越來越得到人們的重視，汽車中安全氣囊的數(shù)量越來越多，相應對傳感器的要求也越來越嚴格。整個氣囊控制系統(tǒng)包括車身外的沖擊傳感器、安置于車門、車頂，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，當車身受到撞擊時，沖擊傳感器會在幾微秒內將信號發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會立即根據(jù)碰撞的強度、乘客數(shù)量及座椅/安全帶的位置等參數(shù)，配合分布在整個車廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進行計算和做出相應評估，并在最短的時間內通過電爆驅動器啟動安全氣囊保證乘客的生命安全。

除了車身安全系統(tǒng)這類重要應用以外，目前加速度傳感器在導航系統(tǒng)中的也在扮演重要角色。專家預測便攜式導航設備將成為中國市場的熱點，其主要利于GPS衛(wèi)星信號實現(xiàn)定位。而當進入衛(wèi)星信號接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會因失去信號而喪失導航功能?；贛EMS技術的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)，對GPS系統(tǒng)實現(xiàn)互補性應用。

2、硬盤抗沖擊防護

目前由于海量數(shù)據(jù)對存儲方面的需求，硬盤和光驅等元器件被廣泛應用到筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機/攝相機、便攜式DVD機等設備中。便攜式設備由于其應用場合的原因，經(jīng)常會意外跌落或受到碰撞，而造成對內部元器件的巨大沖擊。

為了使設備以及其中數(shù)據(jù)免受損傷，越來越多的用戶對便攜式設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，其在撞擊大理石質地面時會受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設計可由設備外殼或PCB板來分解大部分沖擊力，但硬盤等高速旋轉的器件卻在此類沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤中內置3軸加速度傳感器，當?shù)浒l(fā)生時，系統(tǒng)會檢測到加速的突然變化，并執(zhí)行相應的自我保護操作，如關閉抗震性能差的電子或機械器件，從而避免其受損，或發(fā)生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的情況。

目前最新手提電腦里就內置了MEMS加速度計，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，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損害，最大程度地保護里面的數(shù)據(jù)。目前在一些先進的移動硬盤上也使用了這項技術。

3、消費產(chǎn)品中的創(chuàng)新應用

　三軸加速度傳感器為傳統(tǒng)消費及手持電子設備實現(xiàn)了革命性的創(chuàng)新空間。其可被安裝在游戲機手柄上，作為用戶動作采集器來感知其手臂前后、左右，和上下等的移動動作，并在游戲中轉化為虛擬的場景動作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚竿等，把過去單純的手指運動變成真正的肢體和身體的運動,實現(xiàn)比以往按鍵操作所不能實現(xiàn)的臨場游戲感和參與感。

• 姿態(tài)與動作識別

　　三軸加速度傳感器的應用范圍很廣，除了文中提到的游戲動作操控外，還能用于手持設備的姿態(tài)識別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設備可實現(xiàn)畫面自動轉向。iPod Touch就內建了此功能，設備顯示的畫面和信息會根據(jù)用戶的動作而自動旋轉。其通過內部傳感器對重力向量的方向檢測來確定設備處于水平或垂直狀態(tài)，并自動調整顯示狀態(tài)，給用戶帶來方便。

　　傳感器對震動的感知性能也可將以前傳統(tǒng)的按鍵動作變化為震動，用戶可通過單次或多次震動來進行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴展至對用戶界面元素的操控。如屏幕顯示內容的上下左右等方向的瀏覽可通過傾斜手持設備來完成。

• 應用于運動追蹤系統(tǒng)

在運動員的日常訓練中，MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結果分析，反復比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術的進一步發(fā)展，MEMS傳感器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應用。

在滑雪方面，3D運動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運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

• 功耗控制

　功耗一直是便攜設備設計中要考慮的重要因素，內置3軸加速度傳感器則使設備可通過檢測設備的使用狀況來對其用電模式加以控制，從而有效延長電池的使用時間。

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