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热对流式加速度传感器原理及应用
来源:《世界电子元器件》 作者:美新半导体有限公司资深应用经理 王俊云 2007/1/26 0:00:00 人气:1818
内容导读:

前言

一提到加速度计传感器,人们会习惯性地想到高昂的价格及其传统的应用领域—高档汽车。 的确,以往的加速度计传感器由于其特定的工作原理和复杂的微机械加工工艺,导致其制造成本以及在小量程应用领域的失效率居高不下,使其无法在消费类电子中得到广泛的应用。热对流式加速度计传感器以其独特的工作原理和微机械加工工艺,确保高可靠性、高性能、低价格,已开始应用于各种消费类电子产品。


工作原理

热对流式加速度计是基于单片 cmos 集成电路制造工艺完整的加速度测量系统。类似其它加速度传感器有重力块, 热对流式加速度计是以可移动的热对流小气团作为重力块,通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。热对流式加速度计是以气态气体作为质量块,同传统的实体质量块相比具有很大的优势。它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题,同时能抵抗50,000g 以上的冲击。这使得热对流式加速度计的次品率和故障率很低。

一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团,同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时,温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的(见图1)。 由于自由对流热场的传递性,任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓,从而导致其不对称。此时四个热电耦组的输出电压会出现差异,而热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径:一条是用于测量x 轴上所感应的加速度,另一条则用于测量y轴上所感应的加速度(见图2 )。

优点

传统的容感式加速度计是以两个相对排列的叉状阵列作为电容的两极, 外界加速度使可移动极(重力块)与固定极发生相对移动,从而使两极间的电容量发生变化(见图3),再通过一定的电路(如可变电容振荡器)将此变化量转换成相对应的输出信号。


从容感式加速度计的基本工作原理可以清楚地看出,热对流式加速度计在以下几个与可靠性相关的方面(见表1)具有绝对的优势:

抗冲击能力

在传统的容感式加速度计中可移动极(重力块)依靠几组微型硅“弹簧”与芯片的固定部分相连。对于高量程的应用(如安全气囊),因为要求的灵敏度很小,容感式加速度计可以将微型硅“弹簧”制作得相对牢固。但消费类应用属于小量程应用, 量程小于+/-10g,而灵敏度则相对较大。 对于容感式加速度计来说,在一定的信噪比前提下,想要得到较大的灵敏度就必须降低微型硅“弹簧”的强度,其结果是抗冲击能力的下降。

与容感式加速度计相比, 热对流式加速度计是以虚拟的悬浮于空中的“热气团”作为重力块。在微机械结构上没有可活动的部分,其独特的“桥式”结构牢牢地固定在硅芯片上(见图4)。从而使其能够抵抗大于50,000g的冲击。

极间粘连失效

容感式加速度计两极的相对距离非常近,为了保证可移动极(重力块)来回移动, 势必要在其底部和顶部留下一定的空隙,使其成悬空状。因此在实际应用中由于震动而出现极间粘连在所难免。

极小微粒引起的失效

众所周知,半导体制造过程中微粒数量的控制与制造成本成反比。 微粒数量越少,净化级别越高, 制造成本越高。容感式加速度计特殊的微机械结构,使其抵抗极小微粒的能力大大下降。如果一颗极小微粒落在两极之间,电容的容值将发生突变,从而使输出信号的零点出现巨大偏移,器件失效。一些原本落在其它部位的微小颗粒,在实际使用过程中会发生移动,极有可能落在两极之间。“巨大”而密集的叉状阵列的存在使得容感式加速度计很难摆脱此类失效。热对流式加速度计完全不同的结构和原理使其不可能发生以上失效。 极间机械弹性震荡

弹簧(特别是阻尼系数小的弹簧)在受到外界力的作用后会发生往复震荡。容感式加速度计特殊的微型硅“弹簧”悬挂结构同样不可避免地会产生此类震荡,从而使得输出信号在一定的时间内无法使用。 如果外界冲击力的频率与其共振频率(2khz 至5khz)相同,后果则更为严重(见图5)。低于35hz的频响范围使热对流式加速度计自然规避了此类现象的发生。

消费电子产品的特点

低价格

容感式加速度计复杂的微机械加工工艺使得它的成品率无法提高,制造成本居高不下。虽然各大制造商不断想方设法降低制造成本,但要达到消费类电子产品所能接受的低价格(低于1美元)显然十分困难。
热对流式加速度计基于标准的cmos制造工艺,使其圆片加工工序的成品率大大提高,全线成品率达到90%以上。再加上制造工厂设在中国大陆,使得产品的总体制造成本远远低于容感式加速度计,已经可以满足消费类电子产品低成本的要求。

制造/运输简单、粗糙,应用中随 意性大,突发情况多

由于容感式加速度计存在以上所述的固有缺陷,导致其在制造、运输以及实际应用中(特别是消费类电子产品)的失效率一直居高不下。

美新公司从2002年开始生产销售其热对流式加速度计,至今已售出上千万只,而用户使用失效率却小于10ppm。

手持设备(手机,pda,mp3等)必须具备一定的抗冲击(落体)能力。制造商要求其整机必须通过1.2或1.3米的自由落体测试。从1.2米自由落体至大理石地面将对整机产生大于50,000g的冲击。如果除去外壳和印刷电路板的缓冲作用,施加到加速度计上的冲击加速度也将超过5,000g。为了抵御这种冲击,制造商不得不给容感式加速度计“穿上”一件软绵绵的“保护装”(见图6)。如此,制造成本的提高不言而喻。
热对流式加速度计大于50,000g的抗冲击能力使它无需任何额外的“关照”。

应用中的弱点

当然,热对流式加速度计也有它的弱点,但这些“弱点”是否会影响其在消费类电子产品中的应用?

对环境温度变化敏感 热对流式加速度计的工作原理决定了它必定对环境温度变化敏感。主要表现为“零点”温漂和灵敏度温度漂移。

(1)、“零点”温漂

以美新公司的产品为例,温度每变化一度,其输出信号的“零点”会有2mg的漂移量。如果最终产品的工作温度范围是: 10℃ 至40℃,则最大将产生(25+10) 2 =70mg的漂移,相当于︱70 17│= 4度角度的变化,这是在-10℃的恶劣情况下的漂移量。绝大多数消费类领域的应用(如手持设备),对测量精度的要求不是很高,+/ 2度的角度偏差是可以接受的。而且,用户可以通过简单的开机复位程序(及时刷新存储器中加速度计的“零值”)消除这种“零点”漂移的影响。而对于一些检测震动信号(交流信号检测)的应用,直流“零点”的漂移可以不予考虑。

对于一些测量精度较高的应用,用户可以选择其低温漂的器件 (0.1mg/℃)。

(2)、灵敏度温度漂移

对于热对流式加速度计来说,灵敏度温度漂移是它的一个主要弱点,但这一温漂是有规律可循的(见图7)。以美新公司的产品为例,其未经补偿的灵敏度温度漂移严格遵循以下公式,从而使外部温度补偿得以实现。

si ti2.90 = sf tf2.90
其中,si 是在初始温度ti(25+273)时的灵敏度,而 sf 是在任何最终温度tf 时的灵敏度,温度单位为绝对温度k。

同时,用户可以针对产品的工作温度范围及精度,选择带有内部灵敏度温度补偿的器件。在-10℃ 至40℃的温度范围内,小于10%的灵敏度漂移对非精密测量的应用来说是可以接受的。

频响范围低

热对流式加速度计的频率响应一般小于35hz。对于消费类电子产品,特别是手持设备来说,这一频响范围已经足够。因为人的运动频率基本上都低于10hz。

功耗问题

与容感式加速度计(3v时0.6ma)相比,热对流式加速度计的功耗相对较大(3v时2ma)。对于非电池供电的应用,6mw的功耗可以不予考虑。对于电池供电的应用,可以采用下列方法降低功耗。

(1)、不工作时关闭

美新公司的加速度计专门预留了一个“power down”引脚。用户可以很方便地通过微处理器将此引脚置为高电平,即可关闭加速度计(见图8)。对于美新公司i2c输出的加速度计,则只要微处理器通过i2c总线向加速度计发出一个关闭指令即可。(“power down”状态下其器件总体功耗小于0.3uw)。

(2)、脉冲供电方式

在一些应用中,加速度计只被用于检测物体是否存在运动,无需进行定量检测分析。此时,可以采用脉冲供电方式,使得加速度计处于循环开/关的状态(见图9)。

采用以下脉冲供电方式可将美新公司i2c加速度计产品的功耗降至1mw(3v供电)。

环境热梯度的影响

器件周围环境温度的不均匀性(热梯度的存在)会使热对流式加速度计输出信号的“零点”发生漂移。但是空气的热传导率很低,约0.03w/mk。 实验数据表明(见图10),当一个120℃的热源放置在距离热对流式加速度计11mm的位置时,热对流式加速度计的输出只发生小于5mg的漂移。因此,在实际应用中如果真有较大的环境热梯度存在,只需将热对流式加速度计放置在离热源10mm以外的位置即可。在消费类电子产品中,不可能有如此高温的热源存在(一般壳内温度最高不会超过70℃)。又由于外壳的作用,特别是手持设备体积较小,不可能在壳内产生空气对流。因此在消费类应用领域,热梯度对热对流式加速度计的影响是微不足道的。
综上所述,热对流式加速度计低廉的价格和卓越的可靠性,已使其成为消费类应用领域的首选。


二轴还是三轴?

加速度传感器在消费类电子产品中的应用十分广泛。那么,是否必须选用三轴加速度计传感器呢?这里不妨以加速度传感器在手持设备(手机,pda,mp3)中的应用为例加以分析。
加速度传感器在手持设备中的应用:

方向控制类游戏

绝大多数手持设备中的游戏只需实现左/右,前/后方向(或加/减速)控制。因此,二轴加速度传感器已经足够。 动态运动类游戏

这类游戏是通过摇动或挥动手持设备来实现对游戏对象的控制。它是一种定性检测,无须准确测出手持设备在三个轴向的加速度。况且,在实际使用中用户不可能100%做到只在z轴方向上运动。只要在软件上适当地提高检测灵敏度(降低动作判断阈值),就可使用二轴加速度传感器。

计步器

手持设备作为计步器使用时,一般选择以下安放模式:垂直固定于腰间或手臂上;垂直放置在上衣或裤子口袋中。很少会选择绝对平行于地面放置。由此可见,二轴加速度传感器已经够用。

图像自动翻转

此功能是通过手持设备在空中的旋转或前后左右倾斜,来实现屏幕图像的自动跟转。通过对二轴加速度传感器x、y轴输出信号过"零"点和过“90度”点次序的检测,来判断图像翻转的方向。

屏幕图像移动和菜单选择

通过倾斜手持设备实现屏幕显示内容的上下左右浏览或菜单的选择。此功能从信号处理上说与方向控制类游戏相同,二轴加速度传感器已经够用。

闪信

通过挥动手持设备实现在空中显示文字。用户可自己编写显示的文字。
用户只可能在一个平面上左右挥动,因此,二轴加速度传感器已经足够。

照相拍照防抖

用加速度传感器检测手持设备的振动/晃动幅度。当振动/晃动幅度过大时锁住照相快门。此功能与动态运动类游戏相似,只是检测灵敏度需设得更高一些。

电子指南针倾斜矫正

与方向控制类游戏相同,二轴加速度传感器已经足够。

迷你硬盘保护

虽然二轴加速度传感器无法达到100%的落体检测,但实际试验证明其至少可达到80%的落体检测。何况随着闪存容量的不断提高,迷你硬盘由于体积大,价格高及容易损坏,其在手持设备中的使用率必将逐年下降。

空中书写识别

用户可通过在空中书写一个简单的字母或数字, 实现自动快捷拨号。
微处理器对手持设备在空中运动过程中加速度传感器的输出信号进行频谱或轨迹分析,并与存储器中的特征数据进行比对,以相似率来判断所写的字母或数字。三轴加速度传感器在轨迹分析方法中具有一定的优势。但轨迹分析方法要求用户严格按照其规定的方式书写,使客户很难适应。二轴加速度传感器则在频谱分析法中占优。频谱分析法类似于三星手机?quot;anycall"功能。它允许用户先将自己的书写特征(如几个字母或数字)存入存储器,在第二次书写时只需与存储器中自己的特征数据相比较,若相似度大于90%,则判断为某个字母或数字。实验证明,利用二轴加速度传感器和频谱分析法更易被用户接受,并且判断准确率更高。

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