三軸加速度傳感器原理及應(yīng)用

三軸加速度傳感器原理
MEMS換能器（Transducer）可分為傳感器（Sensor）和致動器（Actuator）兩類。其中傳感器會接受外界的傳遞的物理性輸入，通過感測器轉(zhuǎn)換為電子信號，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)方式是對一些微小的物理量的變化進(jìn)行測量，如電阻值、電容值、應(yīng)力、形變、位移等，再通過電壓信號來表示這些變化量。致動器則接受來自控制器的電子信號指令，做出其要求的反應(yīng)動作，如光敏開關(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軸加速度計的技術(shù)原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運(yùn)動狀況。其主要為利用硅的機(jī)械性質(zhì)設(shè)計出的可移動機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中主要包括兩組硅梳齒（Silicon Fingers），一組固定，另一組隨即運(yùn)動物體移動；前者相當(dāng)于固定的電極，后者的功能則是可移動電極。當(dāng)可移動的梳齒產(chǎn)生了位移，就會隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。

當(dāng)運(yùn)動物體出現(xiàn)變速運(yùn)動而產(chǎn)生加速度時，其內(nèi)部的電極位置發(fā)生變化，就會反映到電容值的變化（ΔC），該電容差值會傳送給一顆接口芯片（InteRFace Chip）并由其輸出電壓值。因此3軸加速度傳感器必然包含一個單純的機(jī)械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內(nèi)部有成群移動的電子，主要測量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，這兩部分大都會通過不同的加工流程來生產(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3 X 5 X 1mm，十分適合便攜式移動設(shè)備的應(yīng)用。但考慮到用戶對尺寸可能提出的進(jìn)一步需求，加速度傳感器的設(shè)計要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其檢測與混合訊號單元也會朝向晶圓級封裝（WLP）發(fā)展。
下一代產(chǎn)品的設(shè)計永遠(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)自然是必然的趨勢之一。目前將MEMS傳感器與CMOS接口芯片整合的過程是最耗費(fèi)成本的加工環(huán)節(jié)，如果能實(shí)現(xiàn)單芯片的設(shè)計，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻，封裝與測試的成本必然會大幅度降低。

加速度傳感器選用要點(diǎn)
加速度傳感器針對不同的應(yīng)用場景，也在特性上體現(xiàn)為不同的規(guī)格。用戶需根據(jù)自身的具體需要選取最適合的產(chǎn)品。如上文提到的汽車車身沖擊傳感器或洗衣機(jī)等家電的振動傳感器等來說，需選用高頻（50~100Hz）的加速度傳感器；對于硬盤的跌落和振動保護(hù)，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設(shè)備的姿態(tài)識別和動作檢測只需低頻（0~20Hz）產(chǎn)品即可。
線形加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程（Full Scale，F(xiàn)S）、靈敏度及解析度等元件的特性。滿量程表示傳感器可測量的最大值和最小值間的范圍；靈敏度與ADC等級有關(guān)，是產(chǎn)生測量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入參數(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，因?yàn)楦哔|(zhì)量ADC通常比較昂貴，價格甚至可超過傳感器部分的單獨(dú)售價。

三軸加速度傳感器的應(yīng)用
1、車身安全、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)電子市場之前，實(shí)際上已被廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域，主要集中在車身操控、安全系統(tǒng)和導(dǎo)航，典型的應(yīng)用如汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序（ESP）、電控懸掛系統(tǒng)等。

目前車身安全越來越得到人們的重視，汽車中安全氣囊的數(shù)量越來越多，相應(yīng)對傳感器的要求也越來越嚴(yán)格。整個氣囊控制系統(tǒng)包括車身外的沖擊傳感器（Satellite Sensor）、安置于車門、車頂，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。電子控制器通常為16位或32位MCU，當(dāng)車身受到撞擊時，沖擊傳感器會在幾微秒內(nèi)將信號發(fā)送至該電子控制器。隨后電子控制器會立即根據(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)，配合分布在整個車廂的傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和做出相應(yīng)評估，并在最短的時間內(nèi)通過電爆驅(qū)動器（Squib Driver）啟動安全氣囊保證乘客的生命安全。
除了車身安全系統(tǒng)這類重要應(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。專家預(yù)測便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）將成為中國市場的熱點(diǎn)，其主要利于GPS衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)定位。而當(dāng)PND進(jìn)入衛(wèi)星信號接收不良的區(qū)域或環(huán)境中就會因失去信號而喪失導(dǎo)航功能。基于MEMS技術(shù)的3軸加速度傳感器配合陀螺儀或電子羅盤等元件一起可創(chuàng)建方位推算系統(tǒng)（DR, Dead Reckoning），對GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)性應(yīng)用。

2、硬盤抗沖擊防護(hù)
目前由于海量數(shù)據(jù)對存儲方面的需求，硬盤和光驅(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)用場合的原因，經(jīng)常會意外跌落或受到碰撞，而造成對內(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，越來越多的用戶對便攜式設(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)地面時會受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設(shè)計可由設(shè)備外殼或PCB板來分解大部分沖擊力，但硬盤等高速旋轉(zhuǎn)的器件卻在此類沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤中內(nèi)置3軸加速度傳感器，當(dāng)?shù)浒l(fā)生時，系統(tǒng)會檢測到加速的突然變化，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)生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數(shù)據(jù)永久丟失的情況。

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，作為用戶動作采集器來感知其手臂前后、左右，和上下等的移動動作，并在游戲中轉(zhuǎn)化為虛擬的場景動作如揮拳、揮球拍、跳躍、甩魚竿等，把過去單純的手指運(yùn)動變成真正的肢體和身體的運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)比以往按鍵操作所不能實(shí)現(xiàn)的臨場游戲感和參與感。

此外，3軸加速度傳感器還可用于電子計步器，為電子羅盤（3D Compass）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)計中必不可少的元件。
1．姿態(tài)與動作識別
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作操控外，還能用于手持設(shè)備的姿態(tài)識別和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)畫面自動轉(zhuǎn)向。iPod Touch就內(nèi)建了此功能，設(shè)備顯示的畫面和信息會根據(jù)用戶的動作而自動旋轉(zhuǎn)。其通過內(nèi)部傳感器對重力向量的方向檢測來確定設(shè)備處于水平或垂直狀態(tài)，并自動調(diào)整顯示狀態(tài)，給用戶帶來方便。
傳感器對震動的感知性能也可將以前傳統(tǒng)的按鍵動作變化為震動，用戶可通過單次或多次震動來進(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)展至對用戶界面元素的操控。如屏幕顯示內(nèi)容的上下左右等方向的瀏覽可通過傾斜手持設(shè)備來完成。
2．趣味性擴(kuò)展功能
3軸加速度傳感器對用戶操控動作的轉(zhuǎn)變還可轉(zhuǎn)化為許多趣味性的擴(kuò)展功能上，如虛擬樂器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊”（Wave Message）等。虛擬樂器內(nèi)置的加速度傳感器可檢測用戶對手持設(shè)備的揮動來控制樂器的節(jié)奏和音量等；骰子游戲也采用類似的原理，通過對揮動等動作的感知來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停止的時間。
“閃訊”是一個更富有想象力的應(yīng)用，用戶可利用此功能在空中進(jìn)行文字編輯。“閃訊”即讓手持設(shè)備通過加速度傳感器捕捉用戶在空中模擬寫字的快速動作，主要適合較暗的環(huán)境下使用。手持設(shè)備上會安裝發(fā)光的LED，由于人眼視網(wǎng)膜的視覺暫留現(xiàn)象，其在空中揮動的動作會在其眼中留下短暫的連續(xù)畫面，完成寫字的所有動作筆順。
3．功耗控制
功耗一直是便攜設(shè)備設(shè)計中要考慮的重要因素，內(nèi)置3軸加速度傳感器則使設(shè)備可通過檢測設(shè)備的使用狀況來對其用電模式加以控制，從而有效延長電池的使用時間。

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，和比較簡單且穩(wěn)定的體型微加工（Bulk Micro-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（SuRFace Micro-Machining）科技，使成本有效降低，而且加工的精度和分辨率均更加出色。
各廠家的MEMS類元件制程技術(shù)雖然在工藝和加工設(shè)備上較類似，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，制造商往往會根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出其特有的生產(chǎn)加工平臺及相應(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（Thick Epitaxial Layer for Micro-Gyroscopes and Accelerometer）技術(shù)，是ST發(fā)展出的專有表面為加工制程，主要針對高靈敏度、高探測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)各種動作的精密機(jī)械機(jī)構(gòu)。Thelma制程技術(shù)主要包含六個主要步驟：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、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勞性及抗沖擊性，且采用CMOS制程除了能帶來較低的成本、更穩(wěn)定的加工流程，芯片與傳感器的功能相獨(dú)立還保證了設(shè)計上的靈活性。獨(dú)特的Thelma技術(shù)還可提供完整的鑄模封裝，使生產(chǎn)出的元器件具有極可靠的物理性質(zhì)，能制造出最佳的制止器（Stopper），降低電極之間的靜電摩擦等風(fēng)險。與傳統(tǒng)工藝相比較，Thelma技術(shù)可以減少芯片面積，因而克服體型微加工過程中常見的設(shè)計局限。此外，其會生長出一塊厚度約15微米（um）的多晶硅磊晶層。該硅結(jié)構(gòu)在增加厚度的同時也增加了垂直表面積，因而增大平行于基底的靜電啟動器的總電容值。