熱對流式雙軸加速度傳感器及其在消費類電子產(chǎn)品中的應用

以半導體技術和微機電加工工藝設計、制造的MEMS傳感器，因其集成度高，并可與信號處理電路集成在一起，從而大大降低了生產(chǎn)成本，已經(jīng)在汽車、消費和通信電子領域得到了廣泛的應用。

MEMS硅懸臂木梁加速度傳感器、電容式加速度傳感器已經(jīng)應用得很普遍了。一種采用全新構造，并具有數(shù)字信號處理功能的熱對流式雙軸加速度傳感器，正在被消費電子產(chǎn)品的設計師所采用，并由此衍生出許多新的應用，很多產(chǎn)品可以因此而簡化設計、降低成本并增加很多新的功能。

熱對流式雙軸加速度
傳感器工作原理
熱對流式雙軸加速度傳感器是以虛擬的、懸浮于空中的熱氣團作為質量塊.在微機電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片上。

熱對流式加速度傳感器是基于單片 CMOS工藝的完整的加速度測量系統(tǒng)。它是以可移動的熱對流氣團作為質量塊，通過測量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團位置的變化來測量加速度。這與傳統(tǒng)的實體質量塊相比具有很大的優(yōu)勢，不存在電容式傳感器的粘連、顆粒等問題，同時能抵抗50,000g 的沖擊。這使得熱對流式加速度傳感器的良品率大大提高，生產(chǎn)成本有效降低，因而故障率很低。

             圖1   傳感器剖面圖及熱氣團                圖2  傳感器剖面圖及熱氣團
                溫度變化情況 (無加速度)                   溫度變化情況 (有加速度)

一個被放置在芯片中央的熱源在空腔中產(chǎn)生一個懸浮的熱氣團，同時，4個由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離且對稱地放置在熱源的4個方向。在未產(chǎn)生加速度或水平放置時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的，此時，所有4個熱電耦組因感應溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。從圖1可以看到這個傳感器的剖面結構，上面是一個空腔氣室，無外力作用時，熱氣團位于正中央。圖2顯示受到外力作用后，熱氣團向右偏移，4個熱電耦組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而向右產(chǎn)生△的偏量。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,導致其不對稱，此時，4個熱電耦組的輸出電壓會出現(xiàn)差異，而這種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(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條用于測量 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。

從圖3、圖4可以看到熱對流式加速度傳感器內(nèi)部還包含傳感器模擬信號處理電路,來自同一軸兩個方向的熱電耦組信號經(jīng)差分放大、溫度比較、A/D轉換、D/A轉換、低通濾波、緩沖處理后，輸出已經(jīng)放大的模擬信號，或經(jīng)差分放大、溫度比較、A/D轉換，直接將信號轉換成I2C接口格式。因此，熱對流式加速度傳感器是一個多芯片的片上系統(tǒng)，即SoC或MCM。

ADI等公司已開發(fā)了熱對流式加速度傳感器，如雙軸的ADXL320/321，三軸的ADXL330。其它如MAS-LA/LD系列雙軸加速度傳感器。

          圖3 模擬輸出的雙軸加速度傳感器內(nèi)部拓撲圖


       圖4 FC輸出的雙軸加速度傳感器內(nèi)部拓撲圖

熱對流式加速度傳感器在
消費類電子產(chǎn)品中的應用
消費電子、通信電子產(chǎn)品，如手機、PDA、MP3、PMP、便攜式DVD、數(shù)碼相機、筆記本電腦等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。制造商要求其整機必須通過1.2或1.3m的自由跌落測試，從1.2m自由跌落至大理石地面將對整機產(chǎn)生大約50000g的沖擊力。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5000g。為了抵御這種沖擊，制造商要求產(chǎn)品設計師在產(chǎn)品中設計緩沖系統(tǒng)，而采用加速度傳感器在第一時間獲取跌落信息，將怕震電子器件的電源關閉，以予保護，如高速旋轉的硬盤、光碟、錄像帶等。
雙軸熱對流式加速度傳感器在手機上的應用將會成為手機新增功能的熱點，如應用它能感知手機的左右搖晃，可通過MCU控制手機上的LED發(fā)光次序，在搖晃的瞬間，出現(xiàn)由光點組成的文字，即所謂“閃信”功能，通過揮動手機實現(xiàn)在空中顯示文字，用戶可自己編寫想顯示的文字。

雙軸熱對流式加速度傳感器還可用于手持設備中的遙控器、手持操縱盤的左/右、前/后方向(或加/減速)的控制，或在手持產(chǎn)品中加入計步器功能，或幫助拍照手機、數(shù)碼相機、PMP的LCD/TFT顯示屏圖像自動修正。它還能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，實現(xiàn)防抖動拍照。

與手寫識別軟件配合還可實現(xiàn)空中書寫功能，用戶可通過在空中書寫一個簡單的字母或數(shù)字, 實現(xiàn)手機的自動快捷撥號或短信的輸入。微處理器對手持設備在空中運動過程中加速度傳感器輸出的信號進行頻譜或軌跡分析，并與存儲器中的特征數(shù)據(jù)進行對比，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中具有一定的優(yōu)勢，但軌跡分析要求用戶嚴格按照其規(guī)定的方式書寫，使客戶很難適應。雙軸加速度傳感器則在頻譜分析中占據(jù)優(yōu)勢，頻譜分析類似于三星手機的AnyCall功能，它允許用戶先將自己的書寫特征(如幾個字母或數(shù)字)存入存儲器，在第二次書寫時只需與存儲器中的特征數(shù)據(jù)相比較，若相似度大于90%，則判斷為某個字母或數(shù)字。實驗證明，利用雙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