秒懂MEMS倾角传感器的工作原理

倾角传感器，又称倾斜传感器、测角仪或坡度传感器，它可在重力作用下，测量物体的角度。随着微机电系统（MEMS）制造技术的进步，MEMS传感器因其性能优异，性价比高的特性，开始

倾角传感器，又称倾斜传感器、测角仪或坡度传感器，它可在重力作用下，测量物体的角度。随着微机电系统（MEMS）制造技术的进步，MEMS传感器因其性能优异，性价比高的特性，开始大量进入市场。

MEMS倾角传感器，顾名思义，是通过MEMS（微电子机械系统）技术制造的倾角传感器，其明显的优势是测量非常精准。

下面，将从2个例子，说透MEMS倾角传感器的原理。

例子1：

简单来说，MEMS倾角传感器就是通过地球重力，非接触式测量目标物体的倾角。本质上，倾角传感器要测量加速度，特别是重力加速度，因此其内部集成了加速度传感芯片。

加速度传感芯片由一个MEMS传感部件以及外围信号处理电路组成。其MEMS传感部件示意图如下：

MEMS传感部件中的蓝色部分是可移动的，而红色部分是固定的。在加速或减速时，蓝色部分将向左或向右移动，蓝色和红色部分之间的电容则随之改变。通过测量电容C1和C2即可确定加速度。如下图所示：

也就是说，在被测物倾斜时会产生的加速或减速，令MEMS传感部件中可移动部分向一侧移动，图示如下：

从该原理中可以看到，在测量过程中MEMS传感部件对震动会很敏感，被测物体的震动会影响测量结果。所以必须加入滤波器，消除一定频率之外的干扰。有些倾角传感器厂商还会根据用户需要配备滤波器。

滤波器有两种：巴特沃茨（Butterworth）滤波器和临界阻尼滤波器（Critically damped）。巴特沃茨更适用于测量非移动的、振动较强的物体，例如大型钻井台；临界阻尼滤波器更适合用于测量移动的物体，例如工程车辆、农业车辆等。目前市面上绝大多数的倾角传感器仅配备了巴特沃茨滤波器，或不配备任何滤波器。

例子2：

MEMS倾角传感器的基本原理是在完全定型的专用集成电路（ASIC）中内置一个微机电系统（MEMS）传感器单元。

用一个有两个电极的简单模型就能轻而易举地解释MEMS 传感器的作用。

简易模型中采用的电极一个为固定电极，而与弹簧元件相连的另一个为弹性电极（检测质量）（参照图1）。

图 1：MEMS 传感器的原理（1、检测质量；2、电极；3、弹簧；4、固定电极）

当倾角仪处于水平位置时（请参阅图 2.1 ），测量电极间的相应电容量。如果传感器发生倾斜（请参阅图 2.2 ），弹性电极将改变它和固定电极的相对位置，而传感器单元所测量到的两个电极之间的电容量也相应发生改变。电容量的变化转换为相应的倾斜值。

图2：MEMS传感器的位置（1、处于水平位置的MEMS传感器；2、处于倾斜位置的MEMS传感器）

其实，MEMS加速计的工作原理与MEMS传感器的工作原理相类似，并且已经在许多工业和商业应用中得以验证，如手机的运动传感器和汽车安全气囊中。

MEMS倾角传感器的典型应用:

农业和林业机械

工程机械和特种车辆

太阳能和光伏

自动导航系统

起重机和吊装技术

风力发电厂
 

最后，附上MEMS倾角传感器的相关名词解释：

补偿交叉灵敏度：仅用于双轴型倾角传感器。一般情况下，一个轴的倾斜会影响另外一个轴。该补偿能够尽可能的减小这种影响。

振动抑制特性：用于设置滤波器。通过设置，能够消除振动带来的负面影响，获得稳定的信号输出。

温度系数：倾角传感器会受温度影响，随着温度的升高输出信号会变差。