簡介
加速度計在很多市場中都有著重要的作用。智能手機中會用到加速度計,汽車中也會用到加速度計。這一器件在醫(yī)療中的應(yīng)用也是與日俱增。對速度的變化率的測量似乎可以有無限的應(yīng)用。根據(jù)Yole《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2018版》報告顯示,消費類市場仍是加速度計等慣性MEMS器件最大的細分市場,不過,該領(lǐng)域價格壓力巨大,且競爭非常激烈;近年火熱的自動駕駛汽車領(lǐng)域則青睞高性能慣性器件,但MEMS技術(shù)仍能分得一杯羹;2017年,加速度計等慣性MEMS器件的市場規(guī)模約為35億美元,預(yù)計到2023年將增長至40億美元,2017~2023年期間的復(fù)合年增長率高于3%。
設(shè)計創(chuàng)建加速度計的技術(shù)有很多種。其中一種常用的技術(shù)是制造具有彈簧懸掛質(zhì)量塊的 MEMS器件(圖1)。發(fā)生加速時,質(zhì)量塊將會產(chǎn)生移動進而縮短固定齒和可動齒之間的間隙,電容也相應(yīng)地發(fā)生變化。由于固定齒上加有電壓,當質(zhì)量塊移動時,可動齒會由于電容的變化產(chǎn)生電壓。測量該電壓即可確定加速度。然而,可動部件會受到以下情況的影響:粘滯(兩個緊密相鄰的表面彼此粘附,如梳齒)、振動產(chǎn)生的誤差以及沖擊力(g-force)導(dǎo)致的可動部件的斷裂。
圖1:質(zhì)量塊MEMS加速度計示意圖
現(xiàn)在讓我們聚焦到位于馬薩諸塞州安多弗的MEMSIC? Inc.(美新半導(dǎo)體有限公司,以下簡稱MEMSIC)。MEMSIC開發(fā)了一種沒有可動部件的MEMS和CMOS IC技術(shù)。采用獨特的熱技術(shù),通過被加熱的氣體分子來測量加速度。因此,MEMSIC加速度計具有諸多優(yōu)勢:
無粘滯作用
可承受50kg以上的沖擊力
無可測諧振(具有抗振性)
零g失調(diào)穩(wěn)定
無可測的遲滯現(xiàn)象
要將混合信號處理電路與MEMS器件設(shè)計到同一芯片上非常困難,不過MEMSIC已成功將這些技術(shù)集成到同一硅片上,并且已向各行業(yè)批量供應(yīng)了多款加速度計。該公司還克服了另外兩大障礙,做到了堅持使用標準CMOS IC工藝從而維持低成本生產(chǎn)并且使用Tanner的單套工具將設(shè)計開發(fā)標準化。
檢測加速和運動
大多數(shù)加速度計依靠滑塊確定運動,但MEMSIC卻使用硅中熱機械傳感器(圖2),因此從眾多競爭產(chǎn)品中脫穎而出。
圖2:MEMSIC加速度計基本結(jié)構(gòu)
該傳感器大小為1平方毫米,其中心是一個在高于環(huán)境溫度100度的情況下工作的加熱器。加熱器周圍對稱放置著熱電堆,可感測不同位置的溫度。熱電堆由一系列熱電偶或溫度感應(yīng)元件組成,串聯(lián)連接以抬高電壓。整個傳感器完全密封在氣腔中,外面是用于放大、控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路,在三軸型號中還包括數(shù)字補償/校準電路。
在不運動時,熱電堆之間的熱分布是平衡的。但只要運動或加速,就會改變加熱器周圍的對流模式,使加速方向上的熱電堆變得比其他位置上的熱。模擬電路將熱電堆產(chǎn)生的信號變化解讀為運動和加速。
由于沒有可動部件,MEMSIC的加速度計在測量傾側(cè)、傾斜、沖擊和振動方面,比對應(yīng)的機械部件要更持久、更可靠,且耐沖擊性可達到25倍以上(大于50kg)。其加速度計芯片廣泛應(yīng)用于需要控制或測量運動的產(chǎn)品中,如汽車報警器、移動電子設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、電梯控制、病患監(jiān)測設(shè)備和供游戲使用的頭戴式顯示器。
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