熱對流式加速度傳感器原理及應(yīng)用

前言

一提到加速度計(jì)傳感器，人們會習(xí)慣性地想到高昂的價(jià)格及其傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域—高檔汽車。 的確，以往的加速度計(jì)傳感器由于其特定的工作原理和復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝，導(dǎo)致其制造成本以及在小量程應(yīng)用領(lǐng)域的失效率居高不下，使其無法在消費(fèi)類電子中得到廣泛的應(yīng)用。熱對流式加速度計(jì)傳感器以其獨(dú)特的工作原理和微機(jī)械加工工藝，確保高可靠性、高性能、低價(jià)格，已開始應(yīng)用于各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

工作原理

熱對流式加速度計(jì)是基于單片 cmos 集成電路制造工藝完整的加速度測量系統(tǒng)。類似其它加速度傳感器有重力塊， 熱對流式加速度計(jì)是以可移動的熱對流小氣團(tuán)作為重力塊，通過測量由加速度引起的內(nèi)部溫度的變化來測量加速度。熱對流式加速度計(jì)是以氣態(tài)氣體作為質(zhì)量塊，同傳統(tǒng)的實(shí)體質(zhì)量塊相比具有很大的優(yōu)勢。它不存在電容式傳感器所存在的粘連、顆粒等問題，同時(shí)能抵抗50，000g 以上的沖擊。這使得熱對流式加速度計(jì)的次品率和故障率很低。

一個(gè)被放置在芯片中央的熱源在一個(gè)空腔中產(chǎn)生一個(gè)懸浮的熱氣團(tuán)，同時(shí)由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對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)，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。此時(shí)所有四個(gè)熱電耦組因感應(yīng)溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的(見圖1)。 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，從而導(dǎo)致其不對稱。此時(shí)四個(gè)熱電耦組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而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傳輸路徑：一條是用于測量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(見圖2 )。

優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的容感式加速度計(jì)是以兩個(gè)相對排列的叉狀陣列作為電容的兩極， 外界加速度使可移動極(重力塊)與固定極發(fā)生相對移動，從而使兩極間的電容量發(fā)生變化(見圖3)，再通過一定的電路(如可變電容振蕩器)將此變化量轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的輸出信號。

從容感式加速度計(jì)的基本工作原理可以清楚地看出，熱對流式加速度計(jì)在以下幾個(gè)與可靠性相關(guān)的方面(見表1)具有絕對的優(yōu)勢：

抗沖擊能力

在傳統(tǒng)的容感式加速度計(jì)中可移動極(重力塊)依靠幾組微型硅“彈簧”與芯片的固定部分相連。對于高量程的應(yīng)用(如安全氣囊)，因?yàn)橐蟮撵`敏度很小，容感式加速度計(jì)可以將微型硅“彈簧”制作得相對牢固。但消費(fèi)類應(yīng)用屬于小量程應(yīng)用， 量程小于+/-10g，而靈敏度則相對較大。 對于容感式加速度計(jì)來說，在一定的信噪比前提下，想要得到較大的靈敏度就必須降低微型硅“彈簧”的強(qiáng)度，其結(jié)果是抗沖擊能力的下降。

與容感式加速度計(jì)相比， 熱對流式加速度計(jì)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)上沒有可活動的部分，其獨(dú)特的“橋式”結(jié)構(gòu)牢牢地固定在硅芯片上(見圖4)。從而使其能夠抵抗大于50，000g的沖擊。

極間粘連失效

容感式加速度計(jì)兩極的相對距離非常近，為了保證可移動極(重力塊)來回移動， 勢必要在其底部和頂部留下一定的空隙，使其成懸空狀。因此在實(shí)際應(yīng)用中由于震動而出現(xiàn)極間粘連在所難免。

極小微粒引起的失效

眾所周知，半導(dǎo)體制造過程中微粒數(shù)量的控制與制造成本成反比。 微粒數(shù)量越少，凈化級別越高， 制造成本越高。容感式加速度計(jì)特殊的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其抵抗極小微粒的能力大大下降。如果一顆極小微粒落在兩極之間，電容的容值將發(fā)生突變，從而使輸出信號的零點(diǎn)出現(xiàn)巨大偏移，器件失效。一些原本落在其它部位的微小顆粒，在實(shí)際使用過程中會發(fā)生移動，極有可能落在兩極之間。“巨大”而密集的叉狀陣列的存在使得容感式加速度計(jì)很難擺脫此類失效。熱對流式加速度計(jì)完全不同的結(jié)構(gòu)和原理使其不可能發(fā)生以上失效。 極間機(jī)械彈性震蕩

彈簧(特別是阻尼系數(shù)小的彈簧)在受到外界力的作用后會發(fā)生往復(fù)震蕩。容感式加速度計(jì)特殊的微型硅“彈簧”懸掛結(jié)構(gòu)同樣不可避免地會產(chǎn)生此類震蕩，從而使得輸出信號在一定的時(shí)間內(nèi)無法使用。 如果外界沖擊力的頻率與其共振頻率(2khz 至5khz)相同，后果則更為嚴(yán)重(見圖5)。低于35hz的頻響范圍使熱對流式加速度計(jì)自然規(guī)避了此類現(xiàn)象的發(fā)生。

消費(fèi)電子產(chǎn)品的特點(diǎn)

低價(jià)格

容感式加速度計(jì)復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝使得它的成品率無法提高，制造成本居高不下。雖然各大制造商不斷想方設(shè)法降低制造成本，但要達(dá)到消費(fèi)類電子產(chǎn)品所能接受的低價(jià)格（低于1美元）顯然十分困難。
熱對流式加速度計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)的cmos制造工藝，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。再加上制造工廠設(shè)在中國大陸，使得產(chǎn)品的總體制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于容感式加速度計(jì)，已經(jīng)可以滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品低成本的要求。

制造/運(yùn)輸簡單、粗糙，應(yīng)用中隨 意性大，突發(fā)情況多

由于容感式加速度計(jì)存在以上所述的固有缺陷，導(dǎo)致其在制造、運(yùn)輸以及實(shí)際應(yīng)用中（特別是消費(fèi)類電子產(chǎn)品）的失效率一直居高不下。

美新公司從2002年開始生產(chǎn)銷售其熱對流式加速度計(jì)，至今已售出上千萬只，而用戶使用失效率卻小于10ppm。

手持設(shè)備（手機(jī)，pda，mp3等）必須具備一定的抗沖擊（落體）能力。制造商要求其整機(jī)必須通過1.2或1.3米的自由落體測試。從1.2米自由落體至大理石地面將對整機(jī)產(chǎn)生大于50，000g的沖擊。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5，000g。為了抵御這種沖擊，制造商不得不給容感式加速度計(jì)“穿上”一件軟綿綿的“保護(hù)裝”（見圖6）。如此，制造成本的提高不言而喻。
熱對流式加速度計(jì)大于50，000g的抗沖擊能力使它無需任何額外的“關(guān)照”。

應(yīng)用中的弱點(diǎn)

當(dāng)然，熱對流式加速度計(jì)也有它的弱點(diǎn)，但這些“弱點(diǎn)”是否會影響其在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用？

對環(huán)境溫度變化敏感 熱對流式加速度計(jì)的工作原理決定了它必定對環(huán)境溫度變化敏感。主要表現(xiàn)為“零點(diǎn)”溫漂和靈敏度溫度漂移。

（1）、“零點(diǎn)”溫漂

以美新公司的產(chǎn)品為例，溫度每變化一度，其輸出信號的“零點(diǎn)”會有2mg的漂移量。如果最終產(chǎn)品的工作溫度范圍是： 10℃ 至40℃，則最大將產(chǎn)生（25+10） 2 =70mg的漂移，相當(dāng)于︱70 17│= 4度角度的變化，這是在-10℃的惡劣情況下的漂移量。絕大多數(shù)消費(fèi)類領(lǐng)域的應(yīng)用（如手持設(shè)備），對測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，用戶可以通過簡單的開機(jī)復(fù)位程序（及時(shí)刷新存儲器中加速度計(jì)的“零值”）消除這種“零點(diǎn)”漂移的影響。而對于一些檢測震動信號（交流信號檢測）的應(yīng)用，直流“零點(diǎn)”的漂移可以不予考慮。

對于一些測量精度較高的應(yīng)用，用戶可以選擇其低溫漂的器件 (0.1mg/℃)。

（2）、靈敏度溫度漂移

對于熱對流式加速度計(jì)來說，靈敏度溫度漂移是它的一個(gè)主要弱點(diǎn)，但這一溫漂是有規(guī)律可循的（見圖7）。以美新公司的產(chǎn)品為例，其未經(jīng)補(bǔ)償?shù)撵`敏度溫度漂移嚴(yán)格遵循以下公式，從而使外部溫度補(bǔ)償?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。

si ti2.90 = sf tf2.90
其中，si 是在初始溫度ti（25+273）時(shí)的靈敏度，而 sf 是在任何最終溫度tf 時(shí)的靈敏度，溫度單位為絕對溫度k。

同時(shí)，用戶可以針對產(chǎn)品的工作溫度范圍及精度，選擇帶有內(nèi)部靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)钠骷Ｔ?10℃ 至40℃的溫度范圍內(nèi)，小于10%的靈敏度漂移對非精密測量的應(yīng)用來說是可以接受的。

頻響范圍低

熱對流式加速度計(jì)的頻率響應(yīng)一般小于35hz。對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，特別是手持設(shè)備來說，這一頻響范圍已經(jīng)足夠。因?yàn)槿说倪\(yùn)動頻率基本上都低于10hz。

功耗問題

與容感式加速度計(jì)（3v時(shí)0.6ma）相比，熱對流式加速度計(jì)的功耗相對較大（3v時(shí)2ma）。對于非電池供電的應(yīng)用，6mw的功耗可以不予考慮。對于電池供電的應(yīng)用，可以采用下列方法降低功耗。

（1）、不工作時(shí)關(guān)閉

美新公司的加速度計(jì)專門預(yù)留了一個(gè)“power down”引腳。用戶可以很方便地通過微處理器將此引腳置為高電平，即可關(guān)閉加速度計(jì)（見圖8）。對于美新公司i2c輸出的加速度計(jì)，則只要微處理器通過i2c總線向加速度計(jì)發(fā)出一個(gè)關(guān)閉指令即可。(“power down”狀態(tài)下其器件總體功耗小于0.3uw)。

（2）、脈沖供電方式

在一些應(yīng)用中，加速度計(jì)只被用于檢測物體是否存在運(yùn)動，無需進(jìn)行定量檢測分析。此時(shí)，可以采用脈沖供電方式，使得加速度計(jì)處于循環(huán)開/關(guān)的狀態(tài)（見圖9）。

采用以下脈沖供電方式可將美新公司i2c加速度計(jì)產(chǎn)品的功耗降至1mw(3v供電)。

環(huán)境熱梯度的影響

器件周圍環(huán)境溫度的不均勻性（熱梯度的存在）會使熱對流式加速度計(jì)輸出信號的“零點(diǎn)”發(fā)生漂移。但是空氣的熱傳導(dǎo)率很低，約0.03w/mk。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明（見圖10），當(dāng)一個(gè)120℃的熱源放置在距離熱對流式加速度計(jì)11mm的位置時(shí)，熱對流式加速度計(jì)的輸出只發(fā)生小于5mg的漂移。因此，在實(shí)際應(yīng)用中如果真有較大的環(huán)境熱梯度存在，只需將熱對流式加速度計(jì)放置在離熱源10mm以外的位置即可。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，不可能有如此高溫的熱源存在（一般殼內(nèi)溫度最高不會超過70℃）。又由于外殼的作用，特別是手持設(shè)備體積較小，不可能在殼內(nèi)產(chǎn)生空氣對流。因此在消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域，熱梯度對熱對流式加速度計(jì)的影響是微不足道的。
綜上所述，熱對流式加速度計(jì)低廉的價(jià)格和卓越的可靠性，已使其成為消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域的首選。

二軸還是三軸？

加速度傳感器在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用十分廣泛。那么，是否必須選用三軸加速度計(jì)傳感器呢？這里不妨以加速度傳感器在手持設(shè)備（手機(jī)，pda，mp3）中的應(yīng)用為例加以分析。
加速度傳感器在手持設(shè)備中的應(yīng)用：

方向控制類游戲

絕大多數(shù)手持設(shè)備中的游戲只需實(shí)現(xiàn)左/右，前/后方向（或加/減速）控制。因此，二軸加速度傳感器已經(jīng)足夠。 動態(tài)運(yùn)動類游戲

這類游戲是通過搖動或揮動手持設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對游戲?qū)ο蟮目刂啤Ｋ且环N定性檢測，無須準(zhǔn)確測出手持設(shè)備在三個(gè)軸向的加速度。況且，在實(shí)際使用中用戶不可能100%做到只在z軸方向上運(yùn)動。只要在軟件上適當(dāng)?shù)靥岣邫z測靈敏度（降低動作判斷閾值），就可使用二軸加速度傳感器。

計(jì)步器

手持設(shè)備作為計(jì)步器使用時(shí)，一般選擇以下安放模式：垂直固定于腰間或手臂上；垂直放置在上衣或褲子口袋中。很少會選擇絕對平行于地面放置。由此可見，二軸加速度傳感器已經(jīng)夠用。

圖像自動翻轉(zhuǎn)

此功能是通過手持設(shè)備在空中的旋轉(zhuǎn)或前后左右傾斜，來實(shí)現(xiàn)屏幕圖像的自動跟轉(zhuǎn)。通過對二軸加速度傳感器x、y軸輸出信號過"零"點(diǎn)和過“90度”點(diǎn)次序的檢測，來判斷圖像翻轉(zhuǎn)的方向。

屏幕圖像移動和菜單選擇

通過傾斜手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)屏幕顯示內(nèi)容的上下左右瀏覽或菜單的選擇。此功能從信號處理上說與方向控制類游戲相同，二軸加速度傳感器已經(jīng)夠用。

閃信

通過揮動手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)在空中顯示文字。用戶可自己編寫顯示的文字。
用戶只可能在一個(gè)平面上左右揮動，因此，二軸加速度傳感器已經(jīng)足夠。

照相拍照防抖

用加速度傳感器檢測手持設(shè)備的振動/晃動幅度。當(dāng)振動/晃動幅度過大時(shí)鎖住照相快門。此功能與動態(tài)運(yùn)動類游戲相似，只是檢測靈敏度需設(shè)得更高一些。

電子指南針傾斜矯正

與方向控制類游戲相同，二軸加速度傳感器已經(jīng)足夠。

迷你硬盤保護(hù)

雖然二軸加速度傳感器無法達(dá)到100%的落體檢測，但實(shí)際試驗(yàn)證明其至少可達(dá)到80%的落體檢測。何況隨著閃存容量的不斷提高，迷你硬盤由于體積大，價(jià)格高及容易損壞，其在手持設(shè)備中的使用率必將逐年下降。

空中書寫識別

用戶可通過在空中書寫一個(gè)簡單的字母或數(shù)字， 實(shí)現(xiàn)自動快捷撥號。
微處理器對手持設(shè)備在空中運(yùn)動過程中加速度傳感器的輸出信號進(jìn)行頻譜或軌跡分析，并與存儲器中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，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方法中具有一定的優(yōu)勢。但軌跡分析方法要求用戶嚴(yán)格按照其規(guī)定的方式書寫，使客戶很難適應(yīng)。二軸加速度傳感器則在頻譜分析法中占優(yōu)。頻譜分析法類似于三星手機(jī)?quot;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）存入存儲器，在第二次書寫時(shí)只需與存儲器中自己的特征數(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，利用二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。