熱對(duì)流式雙軸加速度傳感器及其在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

以半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)電加工工藝設(shè)計(jì)、制造的MEMS傳感器，因其集成度高，并可與信號(hào)處理電路集成在一起，從而大大降低了生產(chǎn)成本，已經(jīng)在汽車、消費(fèi)和通信電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

MEMS硅懸臂木梁加速度傳感器、電容式加速度傳感器已經(jīng)應(yīng)用得很普遍了。一種采用全新構(gòu)造，并具有數(shù)字信號(hào)處理功能的熱對(duì)流式雙軸加速度傳感器，正在被消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師所采用，并由此衍生出許多新的應(yīng)用，很多產(chǎn)品可以因此而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本并增加很多新的功能。

熱對(duì)流式雙軸加速度
傳感器工作原理
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)作為質(zhì)量塊.在微機(jī)電結(jié)構(gòu)上沒有可活動(dòng)的部分,其獨(dú)特的橋式結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅片上。

熱對(duì)流式加速度傳感器是基于單片 CMOS工藝的完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)。它是以可移動(dòng)的熱對(duì)流氣團(tuán)作為質(zhì)量塊，通過測(cè)量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團(tuán)位置的變化來(lái)測(cè)量加速度。這與傳統(tǒng)的實(shí)體質(zhì)量塊相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，不存在電容式傳感器的粘連、顆粒等問題，同時(shí)能抵抗50,000g 的沖擊。這使得熱對(duì)流式加速度傳感器的良品率大大提高，生產(chǎn)成本有效降低，因而故障率很低。

             圖1   傳感器剖面圖及熱氣團(tuán)                圖2  傳感器剖面圖及熱氣團(tuán)
                溫度變化情況 (無(wú)加速度)                   溫度變化情況 (有加速度)

一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的熱氣團(tuán)，同時(shí)，4個(gè)由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離且對(duì)稱地放置在熱源的4個(gè)方向。在未產(chǎn)生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4個(gè)熱電耦組因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。從圖1可以看到這個(gè)傳感器的剖面結(jié)構(gòu)，上面是一個(gè)空腔氣室，無(wú)外力作用時(shí)，熱氣團(tuán)位于正中央。圖2顯示受到外力作用后，熱氣團(tuán)向右偏移，4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產(chǎn)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,導(dǎo)致其不對(duì)稱，此時(shí)，4個(gè)熱電耦組的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)差異，而這種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，一條用于測(cè)量 X 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)量 Y 軸上所感應(yīng)的加速度。

從圖3、圖4可以看到熱對(duì)流式加速度傳感器內(nèi)部還包含傳感器模擬信號(hào)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、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、低通濾波、緩沖處理后，輸出已經(jīng)放大的模擬信號(hào)，或經(jīng)差分放大、溫度比較、A/D轉(zhuǎn)換，直接將信號(hào)轉(zhuǎn)換成I2C接口格式。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。

ADI等公司已開發(fā)了熱對(duì)流式加速度傳感器，如雙軸的ADXL320/321，三軸的ADXL330。其它如MAS-LA/LD系列雙軸加速度傳感器。

          圖3 模擬輸出的雙軸加速度傳感器內(nèi)部拓?fù)鋱D


       圖4 FC輸出的雙軸加速度傳感器內(nèi)部拓?fù)鋱D

熱對(duì)流式加速度傳感器在
消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用
消費(fèi)電子、通信電子產(chǎn)品，如手機(jī)、PDA、MP3、PMP、便攜式DVD、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。制造商要求其整機(jī)必須通過1.2或1.3m的自由跌落測(cè)試，從1.2m自由跌落至大理石地面將對(duì)整機(jī)產(chǎn)生大約50000g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5000g。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)，而采用加速度傳感器在第一時(shí)間獲取跌落信息，將怕震電子器件的電源關(guān)閉，以予保護(hù)，如高速旋轉(zhuǎn)的硬盤、光碟、錄像帶等。
雙軸熱對(duì)流式加速度傳感器在手機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)成為手機(jī)新增功能的熱點(diǎn)，如應(yīng)用它能感知手機(jī)的左右搖晃，可通過MCU控制手機(jī)上的LED發(fā)光次序，在搖晃的瞬間，出現(xiàn)由光點(diǎn)組成的文字，即所謂“閃信”功能，通過揮動(dòng)手機(jī)實(shí)現(xiàn)在空中顯示文字，用戶可自己編寫想顯示的文字。

雙軸熱對(duì)流式加速度傳感器還可用于手持設(shè)備中的遙控器、手持操縱盤的左/右、前/后方向(或加/減速)的控制，或在手持產(chǎn)品中加入計(jì)步器功能，或幫助拍照手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PMP的LCD/TFT顯示屏圖像自動(dòng)修正。它還能檢測(cè)手持設(shè)備的振動(dòng)/晃動(dòng)幅度，當(dāng)振動(dòng)/晃動(dòng)幅度過大時(shí)，鎖住照相快門，實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)拍照。

與手寫識(shí)別軟件配合還可實(shí)現(xiàn)空中書寫功能，用戶可通過在空中書寫一個(gè)簡(jiǎn)單的字母或數(shù)字, 實(shí)現(xiàn)手機(jī)的自動(dòng)快捷撥號(hào)或短信的輸入。微處理器對(duì)手持設(shè)備在空中運(yùn)動(dòng)過程中加速度傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行頻譜或軌跡分析，并與存儲(chǔ)器中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以相似率來(lái)判斷所寫的字母或數(shù)字。三軸加速度傳感器在軌跡分析中具有一定的優(yōu)勢(shì)，但軌跡分析要求用戶嚴(yán)格按照其規(guī)定的方式書寫，使客戶很難適應(yīng)。雙軸加速度傳感器則在頻譜分析中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，頻譜分析類似于三星手機(jī)的AnyCall功能，它允許用戶先將自己的書寫特征(如幾個(gè)字母或數(shù)字)存入存儲(chǔ)器，在第二次書寫時(shí)只需與存儲(chǔ)器中的特征數(shù)據(jù)相比較，若相似度大于90%，則判斷為某個(gè)字母或數(shù)字。實(shí)驗(yàn)證明，利用雙軸加速度傳感器和頻譜分析法更易被用戶接受，并且判斷準(zhǔn)確率更高