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

以半導(dǎo)體技術(shù)和微機電加工工藝設(shè)計、制造的MEMS傳感器，因其集成度高，并可與信號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)字信號處理功能的熱對流式雙軸加速度傳感器，正在被消費電子產(chǎn)品的設(shè)計師所采用，并由此衍生出許多新的應(yīng)用，很多產(chǎn)品可以因此而簡化設(shè)計、降低成本并增加很多新的功能。

熱對流式雙軸加速度
傳感器工作原理
熱對流式雙軸加速度傳感器是以虛擬的、懸浮于空中的熱氣團作為質(zhì)量塊.在微機電結(jié)構(gòu)上沒有可活動的部分,其獨特的橋式結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅片上。

熱對流式加速度傳感器是基于單片 CMOS工藝的完整的加速度測量系統(tǒng)。它是以可移動的熱對流氣團作為質(zhì)量塊，通過測量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團位置的變化來測量加速度。這與傳統(tǒng)的實體質(zhì)量塊相比具有很大的優(yōu)勢，不存在電容式傳感器的粘連、顆粒等問題，同時能抵抗50,000g 的沖擊。這使得熱對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                圖2  傳感器剖面圖及熱氣團
                溫度變化情況 (無加速度)                   溫度變化情況 (有加速度)

一個被放置在芯片中央的熱源在空腔中產(chǎn)生一個懸浮的熱氣團，同時，4個由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離且對稱地放置在熱源的4個方向。在未產(chǎn)生加速度或水平放置時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的，此時，所有4個熱電耦組因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。從圖1可以看到這個傳感器的剖面結(jié)構(gòu)，上面是一個空腔氣室，無外力作用時，熱氣團位于正中央。圖2顯示受到外力作用后，熱氣團向右偏移，4個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。由于自由對流熱場的傳遞性,任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓,導(dǎo)致其不對稱，此時，4個熱電耦組的輸出電壓會出現(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傳輸路徑，一條用于測量 X 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量 Y 軸上所感應(yīng)的加速度。

從圖3、圖4可以看到熱對流式加速度傳感器內(nèi)部還包含傳感器模擬信號處理電路,來自同一軸兩個方向的熱電耦組信號經(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，或經(jīng)差分放大、溫度比較、A/D轉(zhuǎn)換，直接將信號轉(zhuǎn)換成I2C接口格式。因此，熱對流式加速度傳感器是一個多芯片的片上系統(tǒng)，即SoC或MCM。

ADI等公司已開發(fā)了熱對流式加速度傳感器，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

熱對流式加速度傳感器在
消費類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用
消費電子、通信電子產(chǎn)品，如手機、PDA、MP3、PMP、便攜式DVD、數(shù)碼相機、筆記本電腦等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。制造商要求其整機必須通過1.2或1.3m的自由跌落測試，從1.2m自由跌落至大理石地面將對整機產(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)計師在產(chǎn)品中設(shè)計緩沖系統(tǒng)，而采用加速度傳感器在第一時間獲取跌落信息，將怕震電子器件的電源關(guān)閉，以予保護，如高速旋轉(zhuǎn)的硬盤、光碟、錄像帶等。
雙軸熱對流式加速度傳感器在手機上的應(yīng)用將會成為手機新增功能的熱點，如應(yīng)用它能感知手機的左右搖晃，可通過MCU控制手機上的LED發(fā)光次序，在搖晃的瞬間，出現(xiàn)由光點組成的文字，即所謂“閃信”功能，通過揮動手機實現(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)品中加入計步器功能，或幫助拍照手機、數(shù)碼相機、PMP的LCD/TFT顯示屏圖像自動修正。它還能檢測手持設(shè)備的振動/晃動幅度，當(dāng)振動/晃動幅度過大時，鎖住照相快門，實現(xiàn)防抖動拍照。

與手寫識別軟件配合還可實現(xiàn)空中書寫功能，用戶可通過在空中書寫一個簡單的字母或數(shù)字, 實現(xiàn)手機的自動快捷撥號或短信的輸入。微處理器對手持設(shè)備在空中運動過程中加速度傳感器輸出的信號進(jìn)行頻譜或軌跡分析，并與存儲器中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以相似率來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，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，頻譜分析類似于三星手機的AnyCall功能，它允許用戶先將自己的書寫特征(如幾個字母或數(shù)字)存入存儲器，在第二次書寫時只需與存儲器中的特征數(shù)據(jù)相比較，若相似度大于90%，則判斷為某個字母或數(shù)字。實驗證明，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?！?/P>