感測器與微機電
加速度計(accelerometer)
加速度計量測「加速度」——也就是速度變化的快慢——而它的全部訣竅,是一個掛在彈簧上的小重物。想像盒子裡有顆球用橡皮筋吊著:把盒子往左一甩,球會因為慣性落後,把橡皮筋拉長;它落後多少,就告訴你盒子加速得多猛。MEMS 加速度計正是這個,被縮到矽片上:一小塊矽(檢測質量,proof mass)由柔性的矽彈簧吊著,當晶片加速時,這塊質量相對於框架偏移不到一奈米。由於質量上長著梳齒狀的手指、與固定手指交錯,這個偏移會改變電容,晶片再把它讀成正比於加速度的電壓。
有個微妙又美麗的結果:靜止躺在桌上時,加速度計「不會」讀到零——它會在垂直向上方向讀到 1 g,因為重力對檢測質量的拉扯,恰好等同於一個向上的加速度(這是愛因斯坦的等效原理,被做成了廉價晶片)。這正是你手機能分辨哪邊是「下」、進而旋轉螢幕的原因。常見的是三軸裝置,以 g 為單位回報 (x, y, z)(1 g ≈ 9.81 m/s²),量程例如判斷姿態用 ±2 g、撞擊偵測用 ±200 g。對加速度積分一次得到速度、兩次得到位置——但微小的偏移誤差會累積,所以光靠加速度計幾秒內就會嚴重漂移,因此要和陀螺儀融合使用。
a_measured = (k / m) · x_displacement
違反直覺的是:自由落體中的加速度計(掉落的手機、繞地球的衛星)讀到的是約 0 g、而非 1 g——因為檢測質量和框架一起下墜,彈簧鬆弛了。軌道上的「失重」正是如此:你其實一直在加速(不停朝地球墜落)卻毫無感覺,而加速度計也同意這一點。
又稱
另見