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加速度計(jì)與MEMS明日之星

發(fā)布時(shí)間:2008-10-25 來(lái)源:Microvision

中心議題:

  • 介紹電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)點(diǎn)
  • 分析該電容式加速度計(jì)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

解決方案:

  • 電容式加速度計(jì)的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)
  • 用堆棧或并排方式封裝芯片

 

電容式加速度計(jì)是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高分辨力、可非接觸測(cè)量,并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著MEMS和半導(dǎo)體制程的進(jìn)步,大幅改善其原先的一些使用限制,也讓電容式作法成為今日市場(chǎng)上極受歡迎的一種加速度計(jì)設(shè)計(jì)途徑。

 

 

圖2 電容式加速度計(jì)的MEMS結(jié)構(gòu)示意圖原文位置
資料來(lái)源:ST

電容式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)中會(huì)有可移動(dòng)的質(zhì)塊與相對(duì)的固定端,分為作為電容的兩極。當(dāng)外界加速度使可移動(dòng)極與固定極發(fā)生相對(duì)位移時(shí),兩極間的電容量也會(huì)產(chǎn)生變化,通過(guò)特殊電路可將此變化量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

電容式加速計(jì)的好處甚多,比起壓阻式或熱對(duì)流式容易因外界溫度變化而產(chǎn)生零位漂移,電容式的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān),因此可選擇溫度系數(shù)低的材料;加上本身發(fā)熱極小,溫度對(duì)穩(wěn)定性的影響甚微。此外,電容式除了可以實(shí)現(xiàn)微型化需求外,也能在高溫、高壓、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作,也能耐受極大沖擊,適用范圍極廣。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短,能在幾MHz的頻率下工作,因此特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其介質(zhì)損耗小,可以用較高頻率供電,因此系統(tǒng)工作頻率高,可以用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。除了上述優(yōu)點(diǎn)外,電容式還可測(cè)極低的加速度和位移(0.01mm以下),靈敏度及分辨力可以做到很高。

 

 

圖3 加速度計(jì)傳感器的技術(shù)原理原文位置
資料來(lái)源:ST

在電容式的結(jié)構(gòu)中,當(dāng)其中的質(zhì)塊出現(xiàn)加速度運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電容量的差異變化(DC),此變化會(huì)傳送給另一顆接口芯片(Interface chip),由它來(lái)輸出可量測(cè)的電壓值。因此,一個(gè)3軸加速度計(jì)芯片中必須包含兩大單元,一是單純的機(jī)械性MEMS傳感器,它包含測(cè)量XY軸的區(qū)域及測(cè)量Z軸的區(qū)域,內(nèi)部有成群移動(dòng)的電子;另一則是標(biāo)準(zhǔn)的ASIC接口芯片,它會(huì)將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓訊號(hào)輸出。

傳感器與ASIC接口芯片這兩大單元雖然都可采用CMOS制程來(lái)生產(chǎn),但由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的差異,兩者目前大多仍會(huì)采用不同的生產(chǎn)流程,再將兩顆芯片封裝整合在一起,成為系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)芯片。這兩顆芯片可以用堆棧(Stacked)或并排(Side by side)方式來(lái)進(jìn)行封裝。采用先進(jìn)LGA封裝的ST加速度計(jì)芯片只有3×5×1.0mm,此尺寸已相當(dāng)適合小型化手持設(shè)備的使用。

不同的應(yīng)用需選用不同規(guī)格的加速度計(jì),以手持設(shè)備的姿態(tài)識(shí)別與單擊、雙擊動(dòng)作偵測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),只需選用低頻(0~20Hz)的加速度計(jì)即可;若需用于硬盤(pán)自由墜落的感測(cè)保護(hù),必須選用中頻(~50Hz)以上的產(chǎn)品;對(duì)于汽車(chē)沖撞感測(cè)或洗衣機(jī)振動(dòng)感測(cè)的應(yīng)用來(lái)說(shuō),就需選用高頻(~100Hz)的加速度計(jì)。

未來(lái)的MEMS明星
今日MEMS的當(dāng)紅產(chǎn)品,當(dāng)然是加速度計(jì),不過(guò),還有許多的微機(jī)電芯片具有極佳的市場(chǎng)爆發(fā)力,包括陀螺儀、MEMS麥克風(fēng)、IMOD顯示器、嵌入式超小型投影機(jī)、MEMS振蕩器等。陀螺儀是繼加速度計(jì)后另一個(gè)備受注目的運(yùn)動(dòng)傳感器,它能補(bǔ)足加速度計(jì)在轉(zhuǎn)向角度上的不足,因此兩者的互補(bǔ)能提供更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)行為判斷。除此之外,陀螺儀也能用于照相防震、3D搖控、空中鼠標(biāo)、游戲游戲桿等應(yīng)用中。

新的MEMS麥克風(fēng)(也稱(chēng)硅晶麥克風(fēng))具有小尺寸、抗噪訊及易開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì),已成為取代傳統(tǒng)駐極體電容式麥克風(fēng)(Electret Condenser Microphone, ECM)的主流選擇;Qualcomm開(kāi)發(fā)的IMOD(Interferometric Modulator) 技術(shù)是一項(xiàng)基于MEMS的干涉測(cè)量調(diào)節(jié)顯示技術(shù),強(qiáng)調(diào)能夠像光的薄膜干涉那樣,獲得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那樣斑斕的色彩,而且能比其它顯示技術(shù)提供更低的耗電量。

此外,超小型投影機(jī)小到能嵌入手機(jī)當(dāng)中,進(jìn)而讓手機(jī)能夠投射出更大的屏幕,而不會(huì)受限于今日僅數(shù)寸的顯示器,讓手機(jī)用戶能更進(jìn)一步地享受視聽(tīng)效果。MEMS振蕩器的應(yīng)用則將沖擊整個(gè)電子產(chǎn)業(yè),因?yàn)樗殉蔀殚L(zhǎng)久以來(lái)用來(lái)提供頻率的石英晶體振蕩器的可行取代方案。

 

 

圖4 通過(guò)手機(jī)、PDA投影的顯示應(yīng)用模式
資料來(lái)源:Microvision

結(jié)語(yǔ)
MEMS芯片的運(yùn)用,就如同人通過(guò)五官接受外界的信息一般,通過(guò)信息處理(如人的大腦),再做出相應(yīng)的動(dòng)作。這種能力讓微小的芯片也能具備感知與反應(yīng)能力,大幅提升了機(jī)電系統(tǒng)的智能性。我們今日看到的微機(jī)電芯片功能或許只是其能力的一個(gè)雛型,未來(lái)仍有很大的想象空間,等待我們?nèi)?shí)現(xiàn)。

 


 

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