浅谈 3D-MEMS 加速度传感器

http://www.intl-sensor.com 时间:2009/10/27 20:59:16 点击3112次

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）本质上是一种把微型机械元件（如传感器、制动器等）与电子电路集成在同一颗芯片上的半导体技术。一般芯片只是利用了硅半导体的电气特性，而 MEMS 则利用了芯片的电气和机械两种特性。

三维微电子机械系统（3D-MEMS），是将硅加工成三维结构，其封装和触点便于安装和装配，用这种技术制作的传感器具有极好的精度、极小的尺寸和极低的功耗。这种传感器仅由一小片硅就能制作出来，并能测量三个互相垂直方向的加速度。例如为承受强烈震动的加速度传感器和高分辨率的高度计提供合适的机械阻尼。这类传感器的功率消耗非常低，这使它们在电池驱动设备中具有不可比拟的优越性。

那么，MEMS传感器的工作原理是什么？在 MEMS 传感器芯片内，三轴（X、Y、Z）上的运动或倾斜会引起活动硅结构的少量位移，造成活动和固定元器件之间的电容发生变化。在同一封装上的接口芯片把微小的电容变化转变成与运动成比例的校准模拟电压。为确保可重复使用的性能，接口芯片允许出厂后微调，因此，无需对终端产品的生产线进行调整。通常的模拟量采样的方式有两种：静电电容式和压电电阻式的更有优势，而前者在低功耗方面更具优势，消耗电流更低。硅电容加速传感器的元件是由单晶硅和玻璃做成的。这种设计能确保相对于时间和温度的例外的可靠性、准确性和稳定性。通常一个 1g 的元件能承受多于 40 000g 的加速度 (1g = 地球自由引力的加速度) 。

我们知道，芯片内部布线的可靠性远远高于印刷电路板上的焊接布线，而半导体制造工艺和封装技术都为 MEMS 器件提供了安全保护。本身内在的高可靠性对于诸如汽车系统和家电产品中，电子系统必须在一个机械振动特别大的环境中工作可靠。同时，批量制造使得 MEMS 组件的成本通常远远低于高精度的庞大的机械组件，通常情况下机械组件是系统中成本最高的元件。因此，MEMS 技术可让很多应用有机会实现更高性价比和更高可靠性。

下面谈一下目前这一领域应用较广的几家 3D-MEMS 加速度传感器产品

1、飞思卡尔半导体的基于 MEMS 的三轴向低重力加速计 MMA7260Q。MMA7260Q的可选灵敏度允许在1．5 g、2 g、4 g和6 g 的不同范围内进行设计，具有 3μA 睡眠模式、500μA 低运行电流、1．0 ms 的快速启动响应时间以及 6 minx6 mm×1．45 mm 的 QFN 小巧包装等其它特性。

2、意法半导体的三轴加速计 LIS3L02，集成了基于MEMS的传感器和一个接口芯片的三轴线性加速计。LIS3L02目前有三种版本：LIS3L02A提供一个模拟输出；LIS3L02P提供一个模拟电压输出和脉宽调制输出（PWM）；LIS3L02D提供一个串行数字I2C输出。各种类型产品都工作在一个3.3-5V电源上，等效噪声加速度优于5亿分之一g （g = 重力加速度）。在携带和工作过程中，可以承受最大加速度 1500g，而不会损坏，这一特性足以抵抗移动电话应用中的震动。 LIS3L02基本特性如下：工作电压 2.4V-5.25V，灵敏度在总精度 ±10% 内可调整，X 轴和 Y 轴的带宽最大为 4.0kHz，采用技术，能把电容变化转换成模拟输出和SPU以及I2C串行输出，在 100Hz 带宽内等效噪音加速度优于 500 x 10-6 g，能经受高达 3000g的振动和震动，工作温度从-40度到-85度，SMD封装。

3、芬兰 VTI 的 3D-MEMS 加速度传感器 SCA610，采用单晶硅结构，无塑性变形，承受力 70000 g，电容式感应原理，基于电容器极板间距的较大变化，偏移的直接测量，电容器的电容和电荷存储能力取决于两个极板的间距和板面积 A ：C = e0 * A/d，使用有限数量的电容器，就能得到高精度和稳定性，并且便于判断。温度系数低于 0.2 mg/oC，非线性度低于 1%，横向灵敏度低于 3% 。SCA610 由一个 8 引脚双列直插的塑料SMD永久模板构成。引架材料是 CuFe2P 镀镍和金。

关于SCA610的应用：引脚1，3和5仅为工厂使用。引脚2(C1) 可用于连接在引脚 2 和引脚 7 之间外接电容的频率设置。这需要一个特殊的模编程在加速传感器中。引脚 4 是地(GND)。如果它不在使用，引脚 6(ST) 上的自动测试输入应该让其浮动。引脚 7(Vout) 是模拟信号输出口，引脚 8(Vout) 是供电电压。可将引出头1，2，3和5连接在一起