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MEMS技术的热对流式双轴加速度传感器 |
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作者：上海市传感技术学会 颜重光 |
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消费电子、通信电子产品，如手机、数码相机、数码摄像机、PDA、MP3、PMP、P-DVD、DC、DV、NB、NetBook等必须具备一定的抗冲击或抗跌落能力。这些产品的制造商要求其整机必须能通过1.2米或1.3米的自由跌落测试，从1.2米自由跌落至大理石地面将对整机产生大约50,000g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5,000g。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，并采用加速度传感器在第一时间获取跌落信息，同时在第一时间将怕震电子器件的电源关闭，并予以保护，如高速旋转的硬盘、光碟、录像带等均可使它们能够快速地进入暂停状态。为此，双轴热对流式加速度传感器则是理想的可用器件之一。
热对流式双轴加速度传感器
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（图1），而使其能够抵御大于50000g的冲击。 
图1 热对流式双轴加速度传感器结构图
热对流式加速度传感器是采用MEMS技术，基于单片CMOS集成电路的制造工艺而生产出来的一个完整的加速度测量系统，就像其它加速度传感器一样有重力块（质量块）。热对流式加速度传感器是以可移动的热对流小气团作为重力块的。通过测量，由加速度引起的内部腔体内的温度气团的位置变化来测量加速度。热对流式加速度传感器以气态气体作为质量块，同传统的实体质量块相比，这种加速度传感器具有很大的优势，它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题，同时还能抵抗50000g的冲击。这使得热对流式加速度传感器生产的合格品率大大提高，生产成本有效降低，因而使用的故障率很低。
热对流式加速度传感器的工作原理
一个被放置在芯片中央的热源在这个空腔中产生一个悬浮的“热气团”，同时四个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，其温度的下降陡度是以热源为中心而完全对称的。此时，所有的四个热电耦组均因感应温度相同而产生的电压是相同的（如图2)。从图2中，我们可以看到这个传感器的剖面图。上面是一个空腔气室，因无加速度的外力作用，热气团位于正中央的中央热源之上。图3是受到一个加速度的作用，热气团向右偏移，原来四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发生△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，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，而这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，另一条则是用于测量Y轴上所感应的加速度（如图4）。
图2 热对流式加速度传感器无外力作用时的工作原理剖面图
图3 热对流式加速度传感器有加速度作用时的工作原理剖面图
图4 模拟输出的双轴加速度传感器内部拓扑图
图5 I2C输出的双轴加速度传感器内部拓扑图
从图4、图5可以看到这个热对流式加速度传感器的内部还包含传感器的模拟信号后处理电路。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、模数转换、数模转换、低通滤波和缓冲，输出已经放大了的模拟信号，如MXA6500（图4）；或经差分放大、温度比较和模数转换，直接将信号处理成I2C 接口界面，如MXC6202（图5）。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。
MXA6500和MXC6202热对流式双轴加速度传感器的系统精度为1-2g/FS，工作电源为2.7-3.6V，模拟输出灵敏度为500mV/g @ 3V。
由于热对流式加速度传感器采用MEMS技术以及基于标准的CMOS制造工艺，这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。ADI等著名集成电路公司都已开发了这种类型的加速度传感器，如二轴的ADXL320/321，三轴的ADXL330；其它如MAS-LA/LD系列双轴加速度传感器等。MEMS IC在中国大陆设计和生产，更具有低成本的优势，使产品更具竞争力。 
图6 5×5×1.55mm LCC-8F封装
图7 XY双轴加速度受力方向
热对流式加速度传感器采用5×5 ×1.55mm LCC-8封装（图6），体积小而薄，十分适合便携式产品的应用。图7表示了XY双轴热对流式加速度传感器的受力方向，将它们应用并设计在产品中要注意需要测试加速度力的方向。(end)
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(10/15/2009) |
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