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MEMS加速度计的原理及运用


MEMS 加速度计的原理及运用

高鹏 黄国胜 2006.12.19

目录 1.MEMS 加速度计基本原理分析
1.1 MEMS 简介 1.2 微加速度计的类型 1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理 1.4 MEMS 微加速度计的制造工艺 1.5 MEMS 微加速度计主要性能指标的设计和控制 1.6 MEMS 加速度计的其它结构 1.7 各厂商 MEMS 加速芯片参数对比 1.8 线性度 1.9 灵敏度与功耗 2.MEMS 加速度计国内外现状 3.微加速度计的发展趋势 4.MEMS 加速度计应用前景分析 5.用 MEMS 加速度计测量加速度、角度

1.1MEMS 简介
随着 MEMS 技术的发展,惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最 广泛的微机电系统器件之一,而微加速度计(microaccelerometer)就是惯性传 感器件的杰出代表。 微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律,根据基本的物理 原理,在一个系统内部,速度是无法测量的,但却可以测量其加速度。如果初速 度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪 (用来测角速度),就可以对物体进行精确定位。根据这一原理,人们很早就利 用加速度计和陀螺进行轮船,飞机和航天器的导航,近年来,人们又把这项技术 用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。 汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新 的应用领域,汽车的防撞气囊(Air Bag)就是利用加速度计来控制的。 作为最成熟的惯性传感器应用,现在的 MEMS 加速度计有非常高的集成度, 即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。本文将就微加速度计进行初步设计, 并对其进行理论分析。

1.2 微加速度计的类型
1.2.1 压阻式微加速度计 压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成,横梁和 质量块常为硅材料。当悬臂梁发生变形时,其固定端一侧变形量最大,故压阻薄 膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧(如图1所示)。当有加速度输入时,悬臂 梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形,导致固连的压阻膜也随之发生变形, 其电阻值就会由于压阻效应而发生变化,导致压阻两端的检测电压值发生变化, 从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。 压电式微 加速度计是最早出现的微加速度计, 其优点是: 结构简单, 芯片的制作相对容易, 并且接口电路易于实现。其缺点是:温度系数比较大,对温度比较敏感;和其他 原理微加速度计相比,其灵敏度比较低,蠕变和迟滞效应比较明显。

图1:压阻式微加速度计原理图

1.2.2 电容式微加速度计 电容式微加速度计是最常见的,也有成熟推广的产品。其基本原理就是将电 容作为检测接口, 来检测由于惯性力作用导致惯性质量块发生的微位移。质量块 由弹性微梁支撑连接在基体上,检测电容的一个极板一般配置在运动的质量块 上,一个极板配置在固定的基体上。图2所示为典型的三明治结构的平板电容式 微加速度计。还有AD 公司开发的电容式微加速度计采用梳齿阵列电容作为检测 接口。电容式微加速度计的灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗 极低,而且过载保护能力较强;能够利用静电力实现反馈闭环控制,显著提高传 感器的性能。

图2:电容式微加速度计示意图

1.2.3 扭摆式微加速度计 扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板,通过扭转轴与基座相连, 基座上表面布置有固定电极, 敏感平板下表面有相应的运动电极,形成检测电容 (如图3) 。当有加速度作用时,不对称平板在惯性力作用下,将发生绕扭转轴的 转动。转动角与加速度成比例关系,可用下式表示: maL = Kθ (3)

式中, a 为输入加速度;L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离;K 为支 撑轴的扭转刚度系数;θ为平板的扭转角。

图3:扭摆式微加速度计的结构

当质量平板发生偏移时, 可以利用电容的静电力来调节平板的偏转角度,提高系 统的测量范围,改善系统的动态特性。其基本特点与电容式类似。 1.2.4 隧道式微加速度计 隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的条件,可以产生隧道 电流。 由J.G.Simmons 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述 为: I∝ V×exp ( -αkx) (4)

式中,V 为施加在电极两端的电压;α为有效势垒高度;x 为电极间隙;k 为常数。 这样可以看出,隧道电流与极板之间的间隙 x 呈负指数关系。隧道式微加 速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块,质量块在惯性力的作用下, 位置将发生偏移, 这个偏移量直接影响到隧道电流的变化,通过检测隧道电流变 化量来间接检测加速度值。系统的典型结构示意图如图4 所示。

图4:隧道式微加速度计原理示意图

隧道式微加速度计具有极高的灵敏度,易检测,线性度好,温漂小,抗干扰 能力强,可靠性高。但是由于隧道针尖制作比较复杂,所以其工艺比较困难。还 有其他一些新型加速度计, 譬如基于热阻抗原理的热加速度计,也具有很好的实

验结果。

1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理
电容式 MEMS 加速度计是加速度计中的工作灵敏度较高的一种,也是使用最 为广泛的一种结构。因此这里分析 MEMS 加速度计的时以电容式加速度计为例。 1.3.1 MEMS 微加速度计的结构模型 采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度,其结构如图 5 所示。图中只画 出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构 (图 5 只给出其剖面示意图)。图中的质量块是微加速度计的执行器,与质量块 相连的是可动臂;与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构, 作为微加速度计的感应器。 其中的弹簧并非真正的弹簧,而是由硅材料经过立体 加工形成的一种力学结构,它在加速度计中的作用相当于弹簧。

图5:微加速度计的结构示意图。

1.3.2

MEMS 微加速度计的工作原理

加速度计的工作原理可概述如下:当加速度计连同外界物体(该物体的加速 度就是待测的加速度) 一起加速运动时,质量块就受到惯性力的作用向相反的方 向运动。 质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度 具有一一对应的关系:外界加速度固定时,质量块具有确定的位移;外界加速度 变化时(只要变化不是很快),质量块的位移也发生相应的变化。另一方面,当

质量块的发生位移时,可动臂和固定臂(即感应器)之间的电容就会发生相应的 变化;如果测得感应器输出电压的变化,就等同于测得了执行器(质量块)的位 移。 既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系,那么输出电压与 外界加速度也就有了确定的关系,即通过输出电压就能测得外界加速度。

图6:(a)执行器的力学结构示意图,(b)感应器的电学原理图。

具体地说,以 Vm 表示输入电压信号,Vs 表示输出电压,Cs1 与 Cs2 分别表 示固定臂与可动臂之间的两个电容(见图 6),则输入信号和输出信号之间的关 系可表示为:

(5) 其中电容与位移之间的关系由电容的定义给出:

(6) 其中 x 是可动臂(执行器)的位移,d 是没有加速度时固定臂与悬臂之间的 距离。 由(6)式和(5)式可得

(7) 根据力学原理,稳定情况下质量块的力学方程为: (8) k 为弹簧的劲度系数,m 为质量块的质量。因此,外界加速度与输出电压的 关系为:

(9) 可见,在加速度计的结构和输入电压确定的情况下,输出电压与加速度呈正 比关系。

1.4 MEMS 微加速度计的制造工艺
以往的加速度计都是利用传统的机械加工方法制造的, 但是这种加速度计的 体积大、分量重,应用场合受到很大限制,MEMS 技术制造的微加速度计克服了 这些缺点。这里以 COMS-MEMS 加工技术为例,其加工流程大体如下: 如图 7 所示, 经过 CMOS 浇铸工艺之后就得到如图 7(a)的效果, 再用 CHF3/O2 进行各向异性的反应离子刻蚀(reactive ion etch,即 RIE)腐蚀掉外层氧化 物,得到如图 7(b)所示的效果,接下来用 SF6/O2 来腐蚀体硅,便从衬底上得到 微结构,即如图 7(c)所示的效果。

图7:CMOS-MEMS加工工艺流程图:(a)经过MOS工艺加工后;(b)经过介质腐蚀工艺后; (c)经过体硅腐蚀工艺后。

图 8 是微加速度计工艺完成以后芯片的扫描电子显微镜(SEM)照片。

图8:微加速度计芯片的扫描电镜(SEM)照片(上) 及其局部放大图(下)。

1.5 MEMS 微加速度计主要性能指标的设计和控制
在加速度变化的动态过程中,质量块的位移是时间的函数。根据牛顿第二定 律,质量块的运动由下列二次常微分方来描述

(10) 其中,k 为弹簧的劲度系数,b 为阻尼部件的阻尼因子,aext 是外部加速度。 可见,弹簧部件的设计和阻尼部件的设计对加速度计的性能是至关重要的。

1.5.1 弹簧劲度系数的控制 对于弹簧,其构造实际上是如图 9 所示的力学结构。不难分析得到,其劲度 系数为:

图9:弹簧结构示意图

(11) 其中,E 是杨氏模量,h 是弹片的厚度,w 是弹片的宽度,l 是弹簧结构的长 度。为了得到稳定的感应器参数,弹簧的劲度系数必须严格控制。根据上面的公 式我们可以看出弹簧的劲度系数正比于弹片宽度的三次方, 故这正是控制劲度系 数的关键。因此,应尽量保持弹片的宽度各处均匀。 1.5.2 阻尼因子的控制 对于阻尼器,一般有两种模式,第一种是结构阻尼,是由结构层之间的摩擦 产生的;第二种是空气粘滞阻尼,是由大气压力产生的,它比第一种模式的阻尼 能力强得多。一般采用第一种模式;这种结构的阻尼因子一般是由实验确定的:

(12) 其中 μ 是空气的有效粘滞系数,t 是可动臂的梳指厚度,d 是梳指间的间隙 宽度,l 是梳指长度。在大气压强为 760torr,温度为 293K 的环境下,粘滞系数 为 1.56′10-5kg/m.s。如果图 5 基本单元数为 28,则可以计算得相应的阻尼因 子为 2.7′10-6kg/s。经过上面的分析,我们可以通过改变梳指的尺寸和间隙的 大小来控制阻尼因子,从而达到实际应用要求。

1.5.3 灵敏度的控制 感应器的灵敏度是微加速度计中的关键性的技术指标,它是这样来定义的, 即用输出电压与输入加速度的比值,见下式:

(13) 其中 CP 是寄生电容(见图 5)。由上式可得,要提高灵敏度,必须增大质 量块的质量和调制电容,或者减小弹簧劲度系数、梳指间距、以及寄生电容与感 应电容的比值。既然 m 与 d 是由加工工艺决定的,只能通过调整 k 与 Vm,才能 有效地提高灵敏度。另外,由图 9 还可以看到,通过增加弹簧构造中弯折部分的 个数也可以来减小 k。

1.6 MEMS 加速度计的其它结构
以上是 MEMS 加速度计的基本原理分析, 至于具体的 MEMS 加速度计设计可通 过不同的工艺及不同的力学结构和电容结构来实现。 如从力学角度看还有双端支 梁式结构和悬梁式结构,如图 10 所示:

图10:双端支梁式结构(左),悬梁式结构(右)

通过材料力学的分析可同样推导出加速度与质量块的位移之间的关系式, 从 而结合电容位移与输出电压的关系式,推导出输出电压值与加速度之间的关系。 而电容结构来分析还有把电容做成梳状的形式,如下图 11 所示

图11: 梳头电容结构

通过分析同样可推导出其电容及其输出电压与质量块的位移关系式。 从而结 合加速度与质量块位移的关系式,推导出输出电压与加速度之间的关系式。

1.7 各厂商 MEMS 加速芯片参数对比 单轴加速度计的比较:
参数 带宽(Hz) 灵敏度(V/g) 测量范围(g) 分辨率(mg) 供电电压(V) 尺寸(mm) 功耗(mw) 损伤阈值(g) ADXL103 500 1 1.7 1 5 5*5*2 3.5 3500 5 9*5*11 10 5 10.3*7.5*3.4 11 2000 SCA610 20-80 1.2 1.5 或 1.7 MMA2260D 50 1.2 1.5

从上表可以看出,在带宽上,ADXL103 的带宽比 SCA610,MMA2260D 大得多, 所以 ADXL103 测量精度要高于 SCA610,MMA2260D;从芯片尺寸上来看,ADXL103 明显小于 SCA610,MMA2260D,有利于提高测量系统的集成度;从功耗上来看, ADXL103 也比 SCA610,MMA2260D 小。

三轴加速度计的比较: 参数 带宽(Hz) ADXL330 X,Y(0.5-1600) Z(0.5-550) 灵敏度(V/g) 测量范围(g) 分辨率(mg) 供电电压(V) 尺寸(mm) 1.8-3.6 4x4x1.45 0.3 3 2 2 2.35-2.7 7.25x6.95x1.7 SCA3000

三轴的情况与单轴很相似,总体来说,AD 公司在器件性能参数的各个方面 都做得较 VTI 好,但价格也较高。

1.8 线性度
线性度主要是为了使加速度计有较好的线性输出,即 MEMS 芯片输出的电压 值(模拟或数字)与芯片受到的加速度值成正比。而事实上非线性因素是难以避 免的,如弹簧的设计,阻尼系统的设计,可变电容结构的设计,还有信号的采集 等或多或少都会产生一些非线性的效应。而 MEMS 加速度计的关键技术就是使这 些非线性效应降低到能接受的程度。选用适当的机械结构设计,或研究开发一些 新型的机械结构和电路结构, 使实际器件的模型与理论模型更加接近将对器件的 线性度有较大的提高。 另外提高芯片的生产工艺对改善芯片的线性度也有重要的 作用。

1.9 灵敏度与功耗
影响芯片灵敏度取决于芯片的结构与本身产生的噪声。对于 X 轴加速度计, 其 X 轴的揉度必须大(刚度小,容易变形),而 Y 轴和 Z 轴的揉度必须小(刚度 大,不易变形),以确保 Y 轴与 Z 轴的变形不致于影响小加速度对 X 轴产生的位 移响应。 这一点必须从机械结构的设计和芯片加工的工艺上进行改善与优化。而

噪声的改善则是工艺水平所决定的因素。 功耗是影响芯片应用范围的一个重要因素,要使 MEMS 芯片市场化,MEMS 加 速度芯片就应该向手持设备进军,因此必须降低芯片的功耗。这一点必须从芯片 电路设计与工艺设计上下功夫。

2.MEMS 加速度计国内外现状
微机电系统(MEMS)重大专项的定位是重点研究 MEMS 器件、集成系统、先进 制造与测试技术及应用。“十五”期间,专项的工作重点是打基础,通过平台建 设,掌握 MEMS 设计、制造、测试、工艺、装备与系统集成等方面的具有自主知 识产权的关键技术,建立我国的 MEMS 研发体系和产业化基地,同时研究与开发 具有创新性的器件与微系统。 目前,专项已突破了若干关键技术,加工能力和成品率得到很大的提高,为 国内的 MEMS 研发提供了良好的服务和平台。围绕医疗、环境、石化等行业,开 发出若干小批量、多品种、高质量 MEMS 器件及微系统。若干 MEMS 器件和微系统 达到实用化水平,开始进入产业化阶段。MEMS 加速度传感器、特种压力传感器、 人体腔道诊疗微系统、微型血液(生化)检测微系统、气象检测微系统等 MEMS 器件和微系统取得可喜的进展, 基本达到实用化阶段,并积极开展了多种方式的 产业化工作。此外,在柔性传感器阵列、微型燃料电池、致冷器、透皮药物释放 微系统等方面取得创新研究成果,为 MEMS 的可持续发展奠定了基础。 针对国际微纳技术发展趋势和我国未来的产业化前景, “十一五”将继续完 善我国 MEMS 制造技术与研发体系,形成 MEMS 的自主开发与批量制造能力,部分 MEMS 器件与微系统实现产业化。围绕环境监测、医疗与健康、公共安全快速检 测与预警等国家需要,研究开发有自主知识产权的微纳系统设计与制造核心技 术、系统集成技术、关键装备和单元产品,提升我国微纳系统自主设计和微纳制 造的核心竞争力,并在某些方面进入国际领先水平。 而国外 MEMS 的技术水平现在已经达到了生产和应用化的程度,大量的传感 器公司都投入到 MEMS 传感器技术的开发和应用领域中 (不限于 MEMS 加速度计) , 其发展水平的速度远远超乎我们的想象。

3.微加速度计的发展趋势
自 1977 年美国斯坦福大学首先利用微加工技术制作了一种开环微加速度 计以来,国内外开发出了各种结构和原理的加速度计, 国外一些公司已经实现了 部分类型微加速度计的产品化,例如美国 AD 公司 1993 年就开始批量化生产基 于平面工艺的电容式微加速度计。相比之下国内的相关研究还存在很多问题,有 很多共性难题没有解决。 (1) 微结构的振动质量比较小,产生的输出信号非常微弱,基本上与机械 噪声以及电噪声同数量级, 因此弱电量检测以及噪声抑制成为提高加速度计性能 的难题; (2) 微结构的迟滞和温漂是影响微加速度计精度的重要因素,如何改善结 构减小迟滞效应,采取措施降低温漂的影响,是微加速度计实用化的重要课题; (3) 微加速度计存在明显的横向干扰,如何采用合理的结构实现结构在各 方向解耦,并且通过合理布置检测单元,实现对横向干扰的抑制,也是研究的重 要内容; (4) 除了基于半导体平面工艺的特殊结构电容式加速度计成本较低,利于 批量生产外(例如 AD 公司的微加速度计系列) ,其他原理的加速度计的制作成 本相对较高,不利于批量生产; 针对上述问题,国内外研究人员已经进行了充分的研究。采用相关双采样 接口电路能提高微弱信号的检测能力,降低电路噪声干扰。利用静电力平衡实现 微加速度计的闭环控制,提高器件的动态性能,避免支撑梁发生大形变,降低传 感器的迟滞和非线性影响, 提高器件的可靠性。 也有学者采用在线温度补偿技术, 实现微加速度计温漂补偿。 同时微机电系统技术的进步和工艺水平的提高,也给 微加速度计的发展带来了新的机遇。通过了解国内外微加速度计的研究动态,分 析其研究特点,总结出微加速度计以下几点发展趋势: (1) 高分辨率和大量程的微硅加速度计成为研究的重点。由于惯性质量块 比较小,所以用来测量加速度和角速度的惯性力也相应比较小,系统的灵敏度相 对较低,这样开发出高灵敏度的加速度计显得尤为重要。无论是民用还是军事用 途,精度高、量程大的微加速度计将会大大拓宽其运用范围。

(2) 温漂小、迟滞效应小成为新的性能目标,选择合适的材料,采用合理 的结构, 以及应用新的低成本温度补偿环节, 能够大幅度提高微加速度计的精度。 (3) 多轴加速度计的开发成为新的方向。已经有文献报道开发出三轴微硅 加速度计, 但是其性能离实用还有一段距离, 多轴加速度计的解耦是结构设计中 的难点。 (4) 将微加速度计表头和信号处理电路集成在单片基体上,也能够减小信 号传输损耗,降低电路噪声,抑制电路寄生电容的干扰。
(5) 选择合理的工艺手段,降低制作成本,为微加速度计批量化生产提供工艺路线;同 时,标准化微机电系统工艺,为微加速度计投片生产提供一套利于操作、重复性好的工艺方 法,也是微硅加速度计发展的重要方向。

4.MEMS 加速度计应用前景分析
4.1 运用现状:
(1)MEMS 传感器在汽车产业中的应用 (2)MEMS 运动传感器在移动电话中的应用 (3)光标或游戏机控制 (4)导航 (5)磁盘驱动器保护 (6)MEMS 加速度计在鼠标的应用

4.2 运用前景:
目前,利用 3 轴 MEMS 加速度计开发出的新型应用有: 带有运动检测和状态感知的手机以监视手机所在位置和被使用状况。这种 传感器能够提供很多功能, 例如更直观的用户界面和延长电池寿命的智能电源管 理。 带有硬盘保护系统的笔记本计算机和媒体播放器。随着对便携式设备存储 能力要求的增加,测量冲击和跌落事件有助于提高产品的鲁棒性。

可移动游戏机,通过改善当前游戏的界面和开发新的基于运动的游戏而提 供更多的互动、直观和趣味的游戏体验。数码相机,通过检测位置、运动和振动 而自动地帮助用户更好地拍照。 由于这些新型功能可以使产品更具特色,因而 3 轴 MEMS 加速度计也得到便 携设备厂商的认同。在价格降低到可以接受的水平后,3 轴 MEMS 加速度计将广 泛应用于手机、媒体播放器、视频游戏机、照相机和计算机等产品上,有着巨大 的市场潜力。

5.用 MEMS 加速度计测量加速度、角度
在充分了解了加速度计的工作原理,性能参数以及市场运用情况以后,将加 速度计用以测量加速度和角度。 设计方案如下: (1) 器件选择: 加速度计采用 AD 公司的 ADXL103,是一个单轴的加速度计。 AD 采用 Maxim 公司的 MAX1062ACUB, 是一个 14 位的串行输出的模数转换器。 单片机 采用 4 个 LED 进行显示。

(2)系统框图:

(3) 测量方法: a. 对加速度的测量:

b. 对角度的测量:

(4) 测量精度: ADXL103 的灵敏度为 1000mV/g,分辨率为 1mg 或 1mV 。 MAX1062 为 14 位 AD,分辨率为 5V/16384=0.31mV AD 的分辨率高于 ADXL103 测量到的加速度最小变化量为 0.001g 测量到的角度的最小变化量为 angle=arc sin(Xout/g)=0.001° (5) 需要的资源: 示波器、万用表、波型发生器及其它常用的工具

单片机及其外围电路器件,ADXL103 加速度计一片,MAX1062 一片(已申 请得到) (6)工作进度表 任务名称 方案论证 绘制原理图,PCB 板图 在 PCB 板上焊上器件 编程调试 工期 2 工作日 4 工作日 2 工作日 7 工作日 开始时间 结束时间


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