以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器,因其集成度高,并可与信号处理电路集成在一起,从而大大降低了生产成本,已经在汽车、消费和通信电子领域得到了广泛的应用。

MEMS硅悬臂木梁加速度传感器、电容式加速度传感器已经应用得很普遍了。一种采用全新构造,并具有数字信号处理功能的热对流式双轴加速度传感器,正在被消费电子产品的设计师所采用,并由此衍生出许多新的应用,很多产品可以因此而简化设计、降低成本并增加很多新的功能。

热对流式双轴加速度
传感器工作原理
热对流式双轴加速度传感器是以虚拟的、悬浮于空中的热气团作为质量块.在微机电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片上。

热对流式加速度传感器是基于单片 CMOS工艺的完整的加速度测量系统。它是以可移动的热对流气团作为质量块,通过测量由加速度引起的腔体内气团位置的变化来测量加速度。这与传统的实体质量块相比具有很大的优势,不存在电容式传感器的粘连、颗粒等问题,同时能抵抗50,000g 的冲击。这使得热对流式加速度传感器的良品率大大提高,生产成本有效降低,因而故障率很低。

             图1   传感器剖面图及热气团                图2  传感器剖面图及热气团
                温度变化情况 (无加速度)                   温度变化情况 (有加速度)

一个被放置在芯片中央的热源在空腔中产生一个悬浮的热气团,同时,4个由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离且对称地放置在热源的4个方向。在未产生加速度或水平放置时,其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的,此时,所有4个热电耦组因感应温度相同而产生相同的电压。从图1可以看到这个传感器的剖面结构,上面是一个空腔气室,无外力作用时,热气团位于正中央。图2显示受到外力作用后,热气团向右偏移,4个热电耦组的平衡被破坏,其温度的下降陡度是以热源为中心而向右产生△的偏量。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,导致其不对称,此时,4个热电耦组的输出电压会出现差异,而这种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。

从图3、图4可以看到热对流式加速度传感器内部还包含传感器模拟信号处理电路,来自同一轴两个方向的热电耦组信号经差分放大、温度比较、A/D转换、D/A转换、低通滤波、缓冲处理后,输出已经放大的模拟信号,或经差分放大、温度比较、A/D转换,直接将信号转换成I2C接口格式。因此,热对流式加速度传感器是一个多芯片的片上系统,即SoC或MCM。

ADI等公司已开发了热对流式加速度传感器,如双轴的ADXL320/321,三轴的ADXL330。其它如MAS-LA/LD系列双轴加速度传感器。

          图3 模拟输出的双轴加速度传感器内部拓扑图


       图4 FC输出的双轴加速度传感器内部拓扑图

热对流式加速度传感器在
消费类电子产品中的应用
消费电子、通信电子产品,如手机、PDA、MP3、PMP、便携式DVD、数码相机、笔记本电脑等必须具备一定的抗冲击或抗跌落能力。制造商要求其整机必须通过1.2或1.3m的自由跌落测试,从1.2m自由跌落至大理石地面将对整机产生大约50000g的冲击力。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5000g。为了抵御这种冲击,制造商要求产品设计师在产品中设计缓冲系统,而采用加速度传感器在第一时间获取跌落信息,将怕震电子器件的电源关闭,以予保护,如高速旋转的硬盘、光碟、录像带等。
双轴热对流式加速度传感器在手机上的应用将会成为手机新增功能的热点,如应用它能感知手机的左右摇晃,可通过MCU控制手机上的LED发光次序,在摇晃的瞬间,出现由光点组成的文字,即所谓“闪信”功能,通过挥动手机实现在空中显示文字,用户可自己编写想显示的文字。

双轴热对流式加速度传感器还可用于手持设备中的遥控器、手持操纵盘的左/右、前/后方向(或加/减速)的控制,或在手持产品中加入计步器功能,或帮助拍照手机、数码相机、PMP的LCD/TFT显示屏图像自动修正。它还能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,实现防抖动拍照。

与手写识别软件配合还可实现空中书写功能,用户可通过在空中书写一个简单的字母或数字, 实现手机的自动快捷拨号或短信的输入。微处理器对手持设备在空中运动过程中加速度传感器输出的信号进行频谱或轨迹分析,并与存储器中的特征数据进行对比,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中具有一定的优势,但轨迹分析要求用户严格按照其规定的方式书写,使客户很难适应。双轴加速度传感器则在频谱分析中占据优势,频谱分析类似于三星手机的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,利用双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。■