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，人們會習慣性地想到高昂的價格及其傳統的應用領域—高檔汽車。 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域的失效率居高不下，使其無法在消費類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、低價格，已開始應用于各種消費類電子產品。

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的熱對流小氣團作為重力塊，通過測量由加速度引起的內部溫度的變化來測量加速度。熱對流式加速度計是以氣態(tài)氣體作為質量塊，同傳統的實體質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。

一個被放置在芯片中央的熱源在一個空腔中產生一個懸浮的熱氣團，同時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方向。在未受到加速度或水平放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。此時所有四個熱電耦組因感應溫度而產生的電壓是相同的(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，從而導致其不對稱。此時四個熱電耦組的輸出電壓會出現差異，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(見圖2 )。

優(yōu)點

傳統的容感式加速度計是以兩個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與可靠性相關的方面(見表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。在微機械結構上沒有可活動的部分，其獨特的“橋式”結構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。因此在實際應用中由于震動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，在實際使用過程中會發(fā)生移動，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產生此類震蕩，從而使得輸出信號在一定的時間內無法使用。 如果外界沖擊力的頻率與其共振頻率(2khz 至5khz)相同，后果則更為嚴重(見圖5)。低于35hz的頻響范圍使熱對流式加速度計自然規(guī)避了此類現象的發(fā)生。

消費電子產品的特點

低價格

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，但要達到消費類電子產品所能接受的低價格（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，全線成品率達到90%以上。再加上制造工廠設在中國大陸，使得產品的總體制造成本遠遠低于容感式加速度計，已經可以滿足消費類電子產品低成本的要求。

制造/運輸簡單、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、運輸以及實際應用中（特別是消費類電子產品）的失效率一直居高不下。

美新公司從2002年開始生產銷售其熱對流式加速度計，至今已售出上千萬只，而用戶使用失效率卻小于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需任何額外的“關照”。

應用中的弱點

當然，熱對流式加速度計也有它的弱點，但這些“弱點”是否會影響其在消費類電子產品中的應用？

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”溫漂和靈敏度溫度漂移。

（1）、“零點”溫漂

以美新公司的產品為例，溫度每變化一度，其輸出信號的“零點”會有2mg的漂移量。如果最終產品的工作溫度范圍是： 10℃ 至40℃，則最大將產生（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。絕大多數消費類領域的應用（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，用戶可以通過簡單的開機復位程序（及時刷新存儲器中加速度計的“零值”）消除這種“零點”漂移的影響。而對于一些檢測震動信號（交流信號檢測）的應用，直流“零點”的漂移可以不予考慮。

對于一些測量精度較高的應用，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來說，靈敏度溫度漂移是它的一個主要弱點，但這一溫漂是有規(guī)律可循的（見圖7）。以美新公司的產品為例，其未經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現。

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

同時，用戶可以針對產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說是可以接受的。

頻響范圍低

熱對流式加速度計的頻率響應一般小于35hz。對于消費類電子產品，特別是手持設備來說，這一頻響范圍已經足夠。因為人的運動頻率基本上都低于10hz。

功耗問題

與容感式加速度計（3v時0.6ma）相比，熱對流式加速度計的功耗相對較大（3v時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）、不工作時關閉

美新公司的加速度計專門預留了一個“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，即可關閉加速度計（見圖8）。對于美新公司i2c輸出的加速度計，則只要微處理器通過i2c總線向加速度計發(fā)出一個關閉指令即可。(“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，無需進行定量檢測分析。此時，可以采用脈沖供電方式，使得加速度計處于循環(huán)開/關的狀態(tài)（見圖9）。

采用以下脈沖供電方式可將美新公司i2c加速度計產品的功耗降至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輸出信號的“零點”發(fā)生漂移。但是空氣的熱傳導率很低，約0.03w/mk。 實驗數據表明（見圖10），當一個120℃的熱源放置在距離熱對流式加速度計11mm的位置時，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。在消費類電子產品中，不可能有如此高溫的熱源存在（一般殼內溫度最高不會超過70℃）。又由于外殼的作用，特別是手持設備體積較小，不可能在殼內產生空氣對流。因此在消費類應用領域，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格和卓越的可靠性，已使其成為消費類應用領域的首選。

二軸還是三軸？

加速度傳感器在消費類電子產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：

方向控制類游戲

絕大多數手持設備中的游戲只需實現左/右，前/后方向（或加/減速）控制。因此，二軸加速度傳感器已經足夠。 動態(tài)運動類游戲

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

計步器

手持設備作為計步器使用時，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夠用。

圖像自動翻轉

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

屏幕圖像移動和菜單選擇

通過傾斜手持設備實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與方向控制類游戲相同，二軸加速度傳感器已經夠用。

閃信

通過揮動手持設備實現在空中顯示文字。用戶可自己編寫顯示的文字。
用戶只可能在一個平面上左右揮動，因此，二軸加速度傳感器已經足夠。

照相拍照防抖

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

電子指南針傾斜矯正

與方向控制類游戲相同，二軸加速度傳感器已經足夠。

迷你硬盤保護

雖然二軸加速度傳感器無法達到100%的落體檢測，但實際試驗證明其至少可達到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。

空中書寫識別

用戶可通過在空中書寫一個簡單的字母或數字， 實現自動快捷撥號。
微處理器對手持設備在空中運動過程中加速度傳感器的輸出信號進行頻譜或軌跡分析，并與存儲器中的特征數據進行比對，以相似率來判斷所寫的字母或數字。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嚴格按照其規(guī)定的方式書寫，使客戶很難適應。二軸加速度傳感器則在頻譜分析法中占優(yōu)。頻譜分析法類似于三星手機?quot;anycall"功能。它允許用戶先將自己的書寫特征（如幾個字母或數字）存入存儲器，在第二次書寫時只需與存儲器中自己的特征數據相比較，若相似度大于90%，則判斷為某個字母或數字。實驗證明，利用二軸加速度傳感器和頻譜分析法更易被用戶接受，并且判斷準確率更高。