熱對流式加速度傳感器原理及應用

前言

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

工作原理

熱對流式加速度計是基于單片 cmos 集成電路制造工藝完整的加速度測量系統。類(lèi)似其它加速度傳感器有重力塊， 熱對流式加速度計是以可移動(dòng)的熱對流小氣團作為重力塊，通過(guò)測量由加速度引起的內部溫度的變化來(lái)測量加速度。熱對流式加速度計是以氣態(tài)氣體作為質(zhì)量塊，同傳統的實(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(wèn)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，同時(shí)由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對稱(chēng)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(chēng)的。此時(shí)所有四個(gè)熱電耦組因感應溫度而產(chǎn)生的電壓是相同的(見(jiàn)圖1)。 由于自由對流熱場(chǎng)的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì )擾亂熱場(chǎng)的輪廓，從而導致其不對稱(chēng)。此時(shí)四個(gè)熱電耦組的輸出電壓會(huì )出現差異，而熱電耦組輸出電壓的差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度傳感器內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 軸上所感應的加速度，另一條則用于測量y軸上所感應的加速度(見(jiàn)圖2 )。

優(yōu)點(diǎn)

傳統的容感式加速度計是以?xún)蓚€(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(dòng)極(重力塊)與固定極發(fā)生相對移動(dòng)，從而使兩極間的電容量發(fā)生變化(見(jiàn)圖3)，再通過(guò)一定的電路(如可變電容振蕩器)將此變化量轉換成相對應的輸出信號。

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

抗沖擊能力

在傳統的容感式加速度計中可移動(dòng)極(重力塊)依靠幾組微型硅“彈簧”與芯片的固定部分相連。對于高量程的應用(如安全氣囊)，因為要求的靈敏度很小，容感式加速度計可以將微型硅“彈簧”制作得相對牢固。但消費類(lèi)應用屬于小量程應用， 量程小于+/-10g，而靈敏度則相對較大。 對于容感式加速度計來(lái)說(shuō)，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”的強度，其結果是抗沖擊能力的下降。

與容感式加速度計相比， 熱對流式加速度計是以虛擬的懸浮于空中的“熱氣團”作為重力塊。在微機械結構上沒(méi)有可活動(dòng)的部分，其獨特的“橋式”結構牢牢地固定在硅芯片上(見(jiàn)圖4)。從而使其能夠抵抗大于50，000g的沖擊。

極間粘連失效

容感式加速度計兩極的相對距離非常近，為了保證可移動(dòng)極(重力塊)來(lái)回移動(dòng)， 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)際應用中由于震動(dòng)而出現極間粘連在所難免。

極小微粒引起的失效

眾所周知，半導體制造過(guò)程中微粒數量的控制與制造成本成反比。 微粒數量越少，凈化級別越高， 制造成本越高。容感式加速度計特殊的微機械結構，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(guò)程中會(huì )發(fā)生移動(dòng)，極有可能落在兩極之間?！熬薮蟆倍芗牟鏍铌嚵械拇嬖谑沟萌莞惺郊铀俣扔嫼茈y擺脫此類(lèi)失效。熱對流式加速度計完全不同的結構和原理使其不可能發(fā)生以上失效。 極間機械彈性震蕩

彈簧(特別是阻尼系數小的彈簧)在受到外界力的作用后會(huì )發(fā)生往復震蕩。容感式加速度計特殊的微型硅“彈簧”懸掛結構同樣不可避免地會(huì )產(chǎn)生此類(lèi)震蕩，從而使得輸出信號在一定的時(shí)間內無(wú)法使用。 如果外界沖擊力的頻率與其共振頻率(2khz 至5khz)相同，后果則更為嚴重(見(jiàn)圖5)。低于35hz的頻響范圍使熱對流式加速度計自然規避了此類(lèi)現象的發(fā)生。

消費電子產(chǎn)品的特點(diǎn)

低價(jià)格

容感式加速度計復雜的微機械加工工藝使得它的成品率無(wú)法提高，制造成本居高不下。雖然各大制造商不斷想方設法降低制造成本，但要達到消費類(lèi)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。
熱對流式加速度計基于標準的cmos制造工藝，使其圓片加工工序的成品率大大提高，全線(xiàn)成品率達到90%以上。再加上制造工廠(chǎng)設在中國大陸，使得產(chǎn)品的總體制造成本遠遠低于容感式加速度計，已經(jīng)可以滿(mǎn)足消費類(lèi)電子產(chǎn)品低成本的要求。

制造/運輸簡(jiǎn)單、粗糙，應用中隨 意性大，突發(fā)情況多

由于容感式加速度計存在以上所述的固有缺陷，導致其在制造、運輸以及實(shí)際應用中（特別是消費類(lèi)電子產(chǎn)品）的失效率一直居高不下。

美新公司從2002年開(kāi)始生產(chǎn)銷(xiāo)售其熱對流式加速度計，至今已售出上千萬(wàn)只，而用戶(hù)使用失效率卻小于10ppm。

手持設備（手機，pda，mp3等）必須具備一定的抗沖擊（落體）能力。制造商要求其整機必須通過(guò)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，施加到加速度計上的沖擊加速度也將超過(guò)5，000g。為了抵御這種沖擊，制造商不得不給容感式加速度計“穿上”一件軟綿綿的“保護裝”（見(jiàn)圖6）。如此，制造成本的提高不言而喻。
熱對流式加速度計大于50，000g的抗沖擊能力使它無(wú)需任何額外的“關(guān)照”。

應用中的弱點(diǎn)

當然，熱對流式加速度計也有它的弱點(diǎn)，但這些“弱點(diǎn)”是否會(huì )影響其在消費類(lèi)電子產(chǎn)品中的應用？

對環(huán)境溫度變化敏感 熱對流式加速度計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(huì )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。絕大多數消費類(lèi)領(lǐng)域的應用（如手持設備），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(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)機復位程序（及時(shí)刷新存儲器中加速度計的“零值”）消除這種“零點(diǎn)”漂移的影響。而對于一些檢測震動(dòng)信號（交流信號檢測）的應用，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用，用戶(hù)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來(lái)說(shuō)，靈敏度溫度漂移是它的一個(gè)主要弱點(diǎn)，但這一溫漂是有規律可循的（見(jiàn)圖7）。以美新公司的產(chǎn)品為例，其未經(jīng)補償的靈敏度溫度漂移嚴格遵循以下公式，從而使外部溫度補償得以實(shí)現。

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(hù)可以針對產(chǎn)品的工作溫度范圍及精度，選擇帶有內部靈敏度溫度補償的器件。在-10℃ 至40℃的溫度范圍內，小于10%的靈敏度漂移對非精密測量的應用來(lái)說(shuō)是可以接受的。

頻響范圍低

熱對流式加速度計的頻率響應一般小于35hz。對于消費類(lèi)電子產(chǎn)品，特別是手持設備來(lái)說(shuō)，這一頻響范圍已經(jīng)足夠。因為人的運動(dòng)頻率基本上都低于10hz。

功耗問(wèn)題

與容感式加速度計（3v時(shí)0.6ma）相比，熱對流式加速度計的功耗相對較大（3v時(shí)2ma）。對于非電池供電的應用，6mw的功耗可以不予考慮。對于電池供電的應用，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專(zhuān)門(mén)預留了一個(gè)“power down”引腳。用戶(hù)可以很方便地通過(guò)微處理器將此引腳置為高電平，即可關(guān)閉加速度計（見(jiàn)圖8）。對于美新公司i2c輸出的加速度計，則只要微處理器通過(guò)i2c總線(xiàn)向加速度計發(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

在一些應用中，加速度計只被用于檢測物體是否存在運動(dòng)，無(wú)需進(jìn)行定量檢測分析。此時(shí)，可以采用脈沖供電方式，使得加速度計處于循環(huán)開(kāi)/關(guān)的狀態(tài)（見(jiàn)圖9）。

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

環(huán)境熱梯度的影響

器件周?chē)h(huán)境溫度的不均勻性（熱梯度的存在）會(huì )使熱對流式加速度計輸出信號的“零點(diǎn)”發(fā)生漂移。但是空氣的熱傳導率很低，約0.03w/mk。 實(shí)驗數據表明（見(jiàn)圖10），當一個(gè)120℃的熱源放置在距離熱對流式加速度計11mm的位置時(shí)，熱對流式加速度計的輸出只發(fā)生小于5mg的漂移。因此，在實(shí)際應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放置在離熱源10mm以外的位置即可。在消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，不可能有如此高溫的熱源存在（一般殼內溫度最高不會(huì )超過(guò)70℃）。又由于外殼的作用，特別是手持設備體積較小，不可能在殼內產(chǎn)生空氣對流。因此在消費類(lèi)應用領(lǐng)域，熱梯度對熱對流式加速度計的影響是微不足道的。
綜上所述，熱對流式加速度計低廉的價(jià)格和卓越的可靠性，已使其成為消費類(lèi)應用領(lǐng)域的首選。

二軸還是三軸？

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

方向控制類(lèi)游戲

絕大多數手持設備中的游戲只需實(shí)現左/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(dòng)態(tài)運動(dòng)類(lèi)游戲

這類(lèi)游戲是通過(guò)搖動(dòng)或揮動(dòng)手持設備來(lái)實(shí)現對游戲對象的控制。它是一種定性檢測，無(wú)須準確測出手持設備在三個(gè)軸向的加速度。況且，在實(shí)際使用中用戶(hù)不可能100%做到只在z軸方向上運動(dòng)。只要在軟件上適當地提高檢測靈敏度（降低動(dòng)作判斷閾值），就可使用二軸加速度傳感器。

計步器

手持設備作為計步器使用時(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(huì )選擇絕對平行于地面放置。由此可見(jiàn)，二軸加速度傳感器已經(jīng)夠用。

圖像自動(dòng)翻轉

此功能是通過(guò)手持設備在空中的旋轉或前后左右傾斜，來(lái)實(shí)現屏幕圖像的自動(dòng)跟轉。通過(guò)對二軸加速度傳感器x、y軸輸出信號過(guò)"零"點(diǎn)和過(guò)“90度”點(diǎn)次序的檢測，來(lái)判斷圖像翻轉的方向。

屏幕圖像移動(dòng)和菜單選擇

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

閃信

通過(guò)揮動(dòng)手持設備實(shí)現在空中顯示文字。用戶(hù)可自己編寫(xiě)顯示的文字。
用戶(hù)只可能在一個(gè)平面上左右揮動(dòng)，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備的振動(dòng)/晃動(dòng)幅度。當振動(dòng)/晃動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)鎖住照相快門(mén)。此功能與動(dòng)態(tài)運動(dòng)類(lèi)游戲相似，只是檢測靈敏度需設得更高一些。

電子指南針傾斜矯正

與方向控制類(lèi)游戲相同，二軸加速度傳感器已經(jīng)足夠。

迷你硬盤(pán)保護

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

空中書(shū)寫(xiě)識別

用戶(hù)可通過(guò)在空中書(shū)寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的字母或數字， 實(shí)現自動(dòng)快捷撥號。
微處理器對手持設備在空中運動(dòng)過(guò)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據進(jìn)行比對，以相似率來(lái)判斷所寫(xiě)的字母或數字。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(hù)嚴格按照其規定的方式書(shū)寫(xiě)，使客戶(hù)很難適應。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(lèi)似于三星手機?quot;anycall"功能。它允許用戶(hù)先將自己的書(shū)寫(xiě)特征（如幾個(gè)字母或數字）存入存儲器，在第二次書(shū)寫(xiě)時(shí)只需與存儲器中自己的特征數據相比較，若相似度大于90%，則判斷為某個(gè)字母或數字。實(shí)驗證明，利用二軸加速度傳感器和頻譜分析法更易被用戶(hù)接受，并且判斷準確率更高。