MEMS技術(shù)的熱對(duì)流式雙軸加速度傳感器-基礎(chǔ)電子

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消費(fèi)電子、通信電子產(chǎn)品,如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、PDA、MP3、PMP、P-DVD、DC、DV、NB、NetBook等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。這些產(chǎn)品的制造商要求其整機(jī)必須能通過(guò)1.2米或1.3米的自由跌落測(cè)試,從1.2米自由跌落至大理石地面將對(duì)整機(jī)產(chǎn)生大約50,000g的沖擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩沖作用,施加到加速度計(jì)上的沖擊加速度也將超過(guò)5,000g。為了抵御這種沖擊,制造商要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品中設(shè)計(jì)緩沖系統(tǒng),并采用加速度傳感器在時(shí)間獲取跌落信息,同時(shí)在時(shí)間將怕震電子器件的電源關(guān)閉,并予以保護(hù),如高速旋轉(zhuǎn)的硬盤、光碟、錄像帶等均可使它們能夠快速地進(jìn)入暫停狀態(tài)。為此,雙軸熱對(duì)流式加速度傳感器則是理想的可用器件之一。

熱對(duì)流式雙軸加速度傳感器是以虛擬的、懸浮于空中的“熱氣團(tuán)”作為重力塊。在微機(jī)械結(jié)構(gòu)上沒(méi)有可活動(dòng)的部分,其獨(dú)特的“橋式”結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅芯片上,而使其能夠抵御大于50000g的沖擊。

熱對(duì)流式加速度傳感器是采用MEMS技術(shù),基于單片CMOS集成電路的制造工藝而生產(chǎn)出來(lái)的一個(gè)完整的加速度測(cè)量系統(tǒng),就像其它加速度傳感器一樣有重力塊(質(zhì)量塊)。熱對(duì)流式加速度傳感器是以可移動(dòng)的熱對(duì)流小氣團(tuán)作為重力塊的。通過(guò)測(cè)量,由加速度引起的內(nèi)部腔體內(nèi)的溫度氣團(tuán)的位置變化來(lái)測(cè)量加速度。熱對(duì)流式加速度傳感器以氣態(tài)氣體作為質(zhì)量塊,同傳統(tǒng)的實(shí)體質(zhì)量塊相比,這種加速度傳感器具有很大的優(yōu)勢(shì),它不存在電容式傳感器所存在的粘連、顆粒等問(wèn)題,同時(shí)還能抵抗50000g的沖擊。這使得熱對(duì)流式加速度傳感器生產(chǎn)的合格品率大大提高,生產(chǎn)成本有效降低,因而使用的故障率很低。

熱對(duì)流式加速度傳感器的工作原理

一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在這個(gè)空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的“熱氣團(tuán)”,同時(shí)四個(gè)由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對(duì)稱地放置在熱源的四個(gè)方向。在未受到加速度或水平放置時(shí),其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對(duì)稱的。此時(shí),所有的四個(gè)熱電耦組均因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生的電壓是相同的。上面是一個(gè)空腔氣室,因無(wú)加速度的外力作用,熱氣團(tuán)位于正中央的中央熱源之上。當(dāng)受到一個(gè)加速度的作用,熱氣團(tuán)向右偏移,原來(lái)四個(gè)熱電耦組的平衡被破壞,其溫度的下降陡度是以熱源為中心而向右發(fā)生△的偏量。由于自由對(duì)流熱場(chǎng)的傳遞性,任何方向的加速度都會(huì)擾亂熱場(chǎng)的輪廓,從而導(dǎo)致其不對(duì)稱,此時(shí)四個(gè)熱電耦組的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異,而這熱電耦組輸出電壓的差異是直接與所感應(yīng)的加速度成比例的。在加速度傳感器內(nèi)部,有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑,一條是用于測(cè)量X軸上所感應(yīng)的加速度,另一條則是用于測(cè)量Y軸上所感應(yīng)的加速度。

熱對(duì)流式加速度傳感器的內(nèi)部還包含傳感器的模擬信號(hào)后處理電路。來(lái)自同一軸、兩個(gè)方向的熱電耦組信號(hào)經(jīng)差分放大、溫度比較、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、低通濾波和緩沖,輸出已經(jīng)放大了的模擬信號(hào)；或經(jīng)差分放大、溫度比較和模數(shù)轉(zhuǎn)換,直接將信號(hào)處理成I2C接口界面。因此,熱對(duì)流式加速度傳感器是一個(gè)多芯片的片上系統(tǒng),即SOC或MCM。

由于熱對(duì)流式加速度傳感器采用MEMS技術(shù)以及基于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝,這使其圓片加工工序的成品率大大提高,全線成品率達(dá)到90%以上。ADI等集成電路公司都已開發(fā)了這種類型的加速度傳感器,如二軸的ADXL320/321,三軸的ADXL330；其它如MAS-LA/LD系列雙軸加速度傳感器等。MEMSIC在中國(guó)大陸設(shè)計(jì)和生產(chǎn),更具有低成本的優(yōu)勢(shì),使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。熱對(duì)流式加速度傳感器采用5×5×1.55mmLCC-8封裝,體積小而薄,十分適合便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用。