MEMS 加速度计：使用质量弹簧阻尼结构测量加速度

    用于传感加速度的质量-弹簧-阻尼器结构如图1所示。
    MEMS 技术使我们能够在同一硅芯片上实现该机械系统的非常小的版本以及所需的信号调节电子器件，以拥有完整的传感解决方案。
       图 1. 质量-弹簧-阻尼器结构。
    MEMS 技术借鉴了微电子行业基于光刻的微加工技术，并将其与其他制造技术相结合，从而能够在硅芯片上创建可移动部件。

    微制造技术的进步有助于实现当今小型、低成本的微机械加速度计，图 2 所示就是一个例子。

    图 2. CMOS MEMS 加速度计的扫描电子显微照片 (SEM)。
    图 2.  CMOS MEMS 加速度计的扫描电子显微照片 (SEM)。图片由K.Zhang提供
    在上一篇文章中，我们简要提到阻尼器在加速度计操作中起着至关重要的作用。在尝试导出质量-弹簧-阻尼器系统的传递函数之前，现在是更熟悉系统的这一重要部分的好时机。
    MEMS 加速度计中的阻尼机制
    阻尼器对耗散力进行建模，该耗散力会减少质量-弹簧-阻尼器系统的机械能并减慢检验质量的运动。
    MEMS 加速度计的主要阻尼机制之一是运动质量与周围空气分子之间发生的内摩擦。事实上，可以在极低的压力下封装基于 MEMS 的加速度计，以减少空气阻尼的影响。然而，一般来说，空气阻尼是 MEMS 加速度计能量损失的主要来源。
    其他常见的阻尼来源是结构阻尼和热阻尼。
    结构阻尼考虑了 MEMS 器件中使用的组件结构引起的能量损失。
    热阻尼对应于MEMS结构的应力应变关系随温度变化的偏差。阻尼器施加在检验质量上的总减速力通常被建模为与检验质量的速度成比例的力。
    该力作用于质量运动的相反方向，由下式给出：
       其中b表示阻尼系数，v表示检验质量的速度。
    请注意，当物体非常小时（微加工结构就是这种情况），空气阻力与物体的速度成正比。
    一般来说，空气阻力与 物体的速度有复杂的关系。例如，大型物体（例如在空中移动的跳伞运动员）可能会受到与物体速度的平方成正比的阻力。