三軸加速度傳感器原理應(yīng)用及前景分析

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2023年09月09日12:42來(lái)源：本站整理：胡哥我要評(píng)論(0)

三軸加速度傳感器原理

MEMS換能器（Transducer）可分為傳感器（Sensor）和致動(dòng)器（Actuator）兩類(lèi)。其中傳感器會(huì)接受外界的傳遞的物理性輸入，通過(guò)感測(cè)器轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，再最終轉(zhuǎn)換為可用的信息，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等。其主要感應(yīng)方式是對(duì)一些微小的物理量的變化進(jìn)行測(cè)量，如電阻值、電容值、應(yīng)力、形變、位移等，再通過(guò)電壓信號(hào)來(lái)表示這些變化量。致動(dòng)器則接受來(lái)自控制器的電子信號(hào)指令，做出其要求的反應(yīng)動(dòng)作，如光敏開(kāi)關(guān)、MEMS顯示器等。

目前的加速度傳感器有多種實(shí)現(xiàn)方式，主要可分為壓電式、電容式及熱感應(yīng)式三種，這三種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。以電容式3軸加速度計(jì)的技術(shù)原理為例。電容式加速度計(jì)能夠感測(cè)不同方向的加速度或振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀況。其主要為利用硅的機(jī)械性質(zhì)設(shè)計(jì)出的可移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中主要包括兩組硅梳齒（SiliconFingers），一組固定，另一組隨即運(yùn)動(dòng)物體移動(dòng)；前者相當(dāng)于固定的電極，后者的功能則是可移動(dòng)電極。當(dāng)可移動(dòng)的梳齒產(chǎn)生了位移，就會(huì)隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體出現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生加速度時(shí)，其內(nèi)部的電極位置發(fā)生變化，就會(huì)反映到電容值的變化（ΔC），該電容差值會(huì)傳送給一顆接口芯片（InteRFaceChip）并由其輸出電壓值。因此3軸加速度傳感器必然包含一個(gè)單純的機(jī)械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內(nèi)部有成群移動(dòng)的電子，主要測(cè)量XY及Z軸的區(qū)域，后者則將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

文中所述的傳感器和ASIC接口芯片兩部分都可以采用CMOS制程來(lái)生產(chǎn)，而在目前的實(shí)際生產(chǎn)制造中，由于二者實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的差異，這兩部分大都會(huì)通過(guò)不同的加工流程來(lái)生產(chǎn)，再最終封裝整合到一起成為系統(tǒng)單封裝芯片（SiP）。封裝形式可采用堆疊（Stacked）或并排（Side-by-Side）。

手持設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是尺寸的小巧。目前ST采用先進(jìn)LGA封裝的加速度傳感器的尺寸僅有3X5X1mm，十分適合便攜式移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用。但考慮到用戶(hù)對(duì)尺寸可能提出的進(jìn)一步需求，加速度傳感器的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其檢測(cè)與混合訊號(hào)單元也會(huì)朝向晶圓級(jí)封裝（WLP）發(fā)展。

下一代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)是ST關(guān)注的要點(diǎn)。就加速度傳感器的發(fā)展而言，單芯片結(jié)構(gòu)自然是

必然的趨勢(shì)之一。目前將MEMS傳感器與CMOS接口芯片整合的過(guò)程是最花費(fèi)成本的加工環(huán)節(jié)，假使能實(shí)現(xiàn)單芯片的設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻，封裝與測(cè)試的成本必然會(huì)大幅度降低。加速度傳感器選用要點(diǎn)

加速度傳感器針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，也在特性上表達(dá)為不同的規(guī)格。用戶(hù)需根據(jù)自身的具體需要選取最適合的產(chǎn)品。如上文提到的汽車(chē)車(chē)身沖擊傳感器或洗衣機(jī)等家電的振動(dòng)傳感器等來(lái)說(shuō)，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對(duì)于硬盤(pán)的跌落和振動(dòng)保護(hù)，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設(shè)備的神態(tài)識(shí)別和動(dòng)作檢測(cè)只需低頻（0~20Hz）產(chǎn)品即可。

線(xiàn)形加速度傳感器的選取還需要考慮滿(mǎn)量程（FullScale，F(xiàn)S）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿(mǎn)量程表示傳感器可測(cè)量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與ADC等級(jí)有關(guān)，是產(chǎn)生測(cè)量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入?yún)?shù)最小增量。除此之外，加速度傳感器按輸出的不同還可分為模擬式和數(shù)字式兩種。其中模擬式加速度傳感器輸出值為電壓，還需要在系統(tǒng)中添加模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）；數(shù)字式加速度傳感器的接口芯片中已經(jīng)集成了ADC電路，可直接以SPI或I2C等實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸。數(shù)字式產(chǎn)品在成本上也有一定優(yōu)勢(shì)，由于高質(zhì)量ADC尋常比較昂貴，價(jià)格甚至可超過(guò)傳感器部分的單獨(dú)售價(jià)。三軸加速度傳感器的應(yīng)用

1、車(chē)身安全、控制及導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用加速度傳感器在進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)之前，實(shí)際上已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子領(lǐng)域，主要集中在車(chē)身操控、安全系統(tǒng)和導(dǎo)航，典型的應(yīng)用如汽車(chē)安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。

目前車(chē)身安全越來(lái)越得到人們的重視，汽車(chē)中安全氣囊的數(shù)量越來(lái)越多，相應(yīng)對(duì)傳感器的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。整個(gè)氣囊控制系統(tǒng)包括車(chē)身外的沖擊傳感器（SatelliteSensor）、安置于車(chē)門(mén)、車(chē)頂，和前后座等位置的加速度傳感器（G-Sensor）、電子控制器，以及安全氣囊等。電子控制器尋常為16位或32位MCU，當(dāng)車(chē)身受到撞擊時(shí)，沖擊傳感器會(huì)在幾微秒內(nèi)將信號(hào)發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會(huì)馬上根據(jù)碰撞的強(qiáng)度、乘客數(shù)量及座椅/安全帶的位置等參數(shù)，協(xié)同分布在整個(gè)車(chē)廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和做出相應(yīng)評(píng)估，并在最短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電爆驅(qū)動(dòng)器（SquibDriver）啟動(dòng)安全氣囊保證乘客的生命安全。

除了車(chē)身安全系統(tǒng)這類(lèi)重要應(yīng)用以外，目前加速度傳感器在導(dǎo)航系統(tǒng)中的也在扮演重要角色。專(zhuān)家預(yù)計(jì)便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）將成為中國(guó)市場(chǎng)的熱點(diǎn)，其主要利于GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位。而當(dāng)PND進(jìn)入衛(wèi)星信號(hào)接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會(huì)因失去信號(hào)而喪失導(dǎo)航功能?；贛EMS技術(shù)的3軸加速度傳感器協(xié)同陀螺儀或電子羅盤(pán)等元件一起可創(chuàng)立方位推算系統(tǒng)（DR,DeadReckoning），對(duì)GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。

2、硬盤(pán)抗沖擊防護(hù)

目前由于海量數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)方面的需求，硬盤(pán)和光驅(qū)等元器件被廣泛應(yīng)用到筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)/攝相機(jī)、便攜式DVD機(jī)、PMP等設(shè)備中。便攜式設(shè)備由于其應(yīng)用場(chǎng)合的原因，經(jīng)常會(huì)意外跌落或受到碰撞，而造成對(duì)內(nèi)部元器件的巨大沖擊。

為了使設(shè)備以及其中數(shù)據(jù)免受損傷，越來(lái)越多的用戶(hù)對(duì)便攜式設(shè)備的抗沖擊能力提出要求。一般便攜式產(chǎn)品的跌落高度為1.2~1.3米，其在撞擊大理石質(zhì)地面時(shí)會(huì)受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設(shè)計(jì)可由設(shè)備外殼或PCB板來(lái)分解大部分沖擊力，但硬盤(pán)等高速旋轉(zhuǎn)的器件卻在此類(lèi)沖擊下顯得十分脆弱。假使在硬盤(pán)中內(nèi)置3軸加速度傳感器，當(dāng)?shù)浒l(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到加速的突然變化，并執(zhí)行相應(yīng)的自我保護(hù)操作，如關(guān)閉抗震性能差的電子或機(jī)械器件，從而避免其受損，或發(fā)生硬盤(pán)磁頭損壞或刮傷盤(pán)片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的狀況。3、消費(fèi)產(chǎn)品中的創(chuàng)新應(yīng)用

3軸加速度傳感器為傳統(tǒng)消費(fèi)及手持電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了革命性的創(chuàng)新空間。其可被安裝在游戲機(jī)手柄上，作為用戶(hù)動(dòng)作采集器來(lái)感知其手臂前后、左右，和上下等的移動(dòng)動(dòng)作，并在游戲中轉(zhuǎn)化為虛擬的場(chǎng)景動(dòng)作如揮拳、揮球拍、騰躍、甩魚(yú)竿等，把過(guò)去單純的手指運(yùn)動(dòng)變成真正的肢體和身體的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)比以往按鍵操作所不能實(shí)現(xiàn)的臨場(chǎng)游戲感和參與感。

此外，3軸加速度傳感器還可用于電子計(jì)步器，為電子羅盤(pán)（3DCompass）提供補(bǔ)償功能，也可用于數(shù)碼相機(jī)的防抖。以上提到的種種創(chuàng)新應(yīng)用使其成為下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必不可少的元件。

1．神態(tài)與動(dòng)作識(shí)別

3軸加速度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，除了文中提到的游戲動(dòng)作操控外，還能用于手持設(shè)備的神態(tài)識(shí)別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設(shè)備可實(shí)現(xiàn)畫(huà)面自動(dòng)轉(zhuǎn)向。iPodTouch就內(nèi)建了此功能，設(shè)備顯示的畫(huà)面和信息會(huì)根據(jù)用戶(hù)的動(dòng)作而自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。其通過(guò)內(nèi)部傳感器對(duì)重力向量的方向檢測(cè)來(lái)確定設(shè)備處于水平或垂直狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)整顯示狀態(tài)，給用戶(hù)帶來(lái)便利。

傳感器對(duì)震動(dòng)的感知性能也可將以前傳統(tǒng)的按鍵動(dòng)作變化為震動(dòng)，用戶(hù)可通過(guò)單次或?qū)覍艺饎?dòng)來(lái)進(jìn)行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴(kuò)展至對(duì)用戶(hù)界面元素的操控。如屏幕顯示內(nèi)容的上下左右等方向的瀏覽可通過(guò)傾斜手持設(shè)備來(lái)完成。2．趣味性擴(kuò)展功能

3軸加速度傳感器對(duì)用戶(hù)操控動(dòng)作的轉(zhuǎn)變還可轉(zhuǎn)化為大量趣味性的擴(kuò)展功能上，如虛擬樂(lè)器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊〞（WaveMessage）等。虛擬樂(lè)器內(nèi)置的加速度傳感器可檢測(cè)用戶(hù)對(duì)手持設(shè)備的揮動(dòng)來(lái)控制樂(lè)器的節(jié)奏和音量等；骰子游戲也采用類(lèi)似的原理，通過(guò)對(duì)揮動(dòng)等動(dòng)作的感知來(lái)控制虛擬骰子的旋轉(zhuǎn)速度，并借助內(nèi)部數(shù)學(xué)模型抽象的物理定律決定其中止的時(shí)間。

“閃訊〞是一個(gè)更富有想象力的應(yīng)用，用戶(hù)可利用此功能在空中進(jìn)行文字編輯?！伴W訊〞即讓手持設(shè)備通過(guò)加速度傳感器捕獲用戶(hù)在空中模擬寫(xiě)字的快速動(dòng)作，主要適合較暗的環(huán)境下使用。手持設(shè)備上會(huì)安裝發(fā)光的LED，由于人眼視網(wǎng)膜的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，其在空中揮動(dòng)的動(dòng)作會(huì)在其眼中留下短暫的連續(xù)畫(huà)面，完成寫(xiě)字的所有動(dòng)作筆順。3．功耗控制

功耗一直是便攜設(shè)備設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素，內(nèi)置3軸加速度傳感器則使設(shè)備可通過(guò)檢測(cè)設(shè)備的使用狀況來(lái)對(duì)其用電模式加以控制，從而有效延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

Thelma制程技術(shù)

成熟的制程技術(shù)是3軸加速度傳感器和其他MEMS產(chǎn)品在消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)成功的關(guān)鍵之一。目前，為了達(dá)到產(chǎn)量及質(zhì)量控制的嚴(yán)格要求，充分利用全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的制造和材料資源，以及生產(chǎn)流程控制經(jīng)驗(yàn)，MEMS類(lèi)元器件大多采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS半導(dǎo)體制造技術(shù)，這樣不但能

使其生產(chǎn)制造從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受惠，還能讓MEMS元器件隨光照制程的微型化先進(jìn)制程不斷演進(jìn)和發(fā)展，產(chǎn)品體積更小。

然而在制程技術(shù)上，MEMS類(lèi)組件的生產(chǎn)與其它一般芯片有所差異。早期的MEMS產(chǎn)品制造中多采用單晶硅為材料，和比較簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的體型微加工（BulkMicro-Machining）技術(shù)，缺點(diǎn)是制造成本較高。目前的制造技術(shù)比較接近集成電路半導(dǎo)體的制程，多采用多晶硅表面微加工（SuRFaceMicro-Machining）科技，使成本有效降低，而且加工的精度和分辯率均更加卓越。

各廠(chǎng)家的MEMS類(lèi)元件制程技術(shù)雖然在工藝和加工設(shè)備上較類(lèi)似，大都采用文中提到的CMOS制程與表面微加工技術(shù)，但為了與自身的生產(chǎn)制造特點(diǎn)相符，制造商往往會(huì)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出其特有的生產(chǎn)加工平臺(tái)及相應(yīng)的流程，以實(shí)現(xiàn)縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低加工成本的目的。

Thelma制程技術(shù)，即厚磊晶層（ThickEpitaxialLayerforMicro-GyroscopesandAccelerometer）技術(shù)，是ST發(fā)展出的專(zhuān)有表面為加工制程，主要針對(duì)高靈敏度、高探測(cè)范圍的加速度傳感器和陀螺儀等MEMS元器件的生產(chǎn)加工。其通過(guò)運(yùn)用深度蝕刻技術(shù)及犧牲層（Sacrificial-Layer）等理論，可在微型裝置中加工出能實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作的縝密機(jī)械機(jī)構(gòu)。Thelma制程技術(shù)主要包含六個(gè)主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化

(Patterning)、犧牲層的沉積與表面圖樣化、結(jié)構(gòu)層的磊晶生長(zhǎng)、用通道蝕刻將結(jié)構(gòu)層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除，與接觸金屬化沉積。

多晶硅材料具有良好的耐疲乏性及抗沖擊性，且采用CMOS制程除了能帶來(lái)較低的成本、更穩(wěn)定的