-電容式和熱式MEMS傳感器在高強(qiáng)度震動(dòng)應(yīng)用中的對(duì)比
無(wú)錫2016年5月24日電 /美通社/ -- 位于美國(guó)馬薩諸塞州安多弗的美新公司近日發(fā)布白皮書(shū)，揭示其產(chǎn)品美新MEMS傳感器具有降低震動(dòng)，減小沖擊，實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更高可靠性的解決方案，為高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境下提供可靠性和高精度的測(cè)量結(jié)果。此外，美新是全球僅有的同時(shí)具備 MEMS 傳感器和傳感系統(tǒng)集成技術(shù)的公司。
設(shè)計(jì)工程師在開(kāi)發(fā)重型裝備的過(guò)程中通常需要在不同種類的加速度計(jì)中做出選擇。例如，在起重機(jī)，拖拉機(jī)，木材切割機(jī)以及建筑工程等重型機(jī)械中，設(shè)計(jì)者需要通過(guò)使用加速度傳感器來(lái)測(cè)量設(shè)備工作時(shí)的俯仰和翻滾角。
在多數(shù)應(yīng)用中，設(shè)備設(shè)計(jì)者通常會(huì)在電容式和熱式MEMS加速度傳感器之間選擇一種。他們通常會(huì)根據(jù)傳感器的主要特性，比如結(jié)構(gòu)，共振頻率，可靠性，穩(wěn)定性，帶寬，功耗以及成本來(lái)作出選擇。而且，他們更加需要了解的是，兩種類型在在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境下測(cè)量?jī)A角的各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
加速度傳感器可以直接測(cè)量重力加速度的三個(gè)分量，傾斜角可以通過(guò)對(duì)重力加速度的三個(gè)分量進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算而得到。一個(gè)雙軸加速度傳感器可以通過(guò)測(cè)量?jī)A斜的正弦角度來(lái)確定當(dāng)前的俯仰和翻滾角度。理論上可測(cè)量的角度范圍是0 +/- <90 度 。由于正弦函數(shù)的變化率在接近90度的范圍逐漸趨小，所以只能0 +/- ~ 70 度的范圍內(nèi)可以提供較高的精度。然而一顆雙軸加速度傳感器可以測(cè)量俯仰角或翻轉(zhuǎn)角的范圍可以達(dá)到0 +/-180度。利用一顆三軸或者兩顆雙軸加速度傳感器可以在全量程范圍內(nèi)測(cè)量俯仰角（0 +/-90度）和翻滾角（0 +/-180度）。由于三軸加速度傳感器的Z軸性能比XY軸略低，因此大多數(shù)應(yīng)用還是會(huì)使用兩顆雙軸加速度傳感器。
一顆基于懸臂的三軸電容式MEMS加速度傳感器通過(guò)測(cè)量作用在質(zhì)量塊上的力來(lái)計(jì)算加速度。在加速度的作用下，質(zhì)量塊與固定電極之間的間距發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致他們之間的電容發(fā)生變化。由于電容的變化率與加速度的大小成比例關(guān)系。因此，加速度可以通過(guò)電容的計(jì)算變化量而確定。
典型的雙軸熱式MEMS加速度傳感器基于單芯片集成技術(shù)。傳感器和控制電路的芯片被集成在一個(gè)氣密性封裝中。傳感器包含一個(gè)通過(guò)硅刻蝕生成的空腔以及一組置于空腔中加熱器和溫度測(cè)量單元。與電容式器件不同，熱式傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)封裝腔體內(nèi)的被加熱器團(tuán)的移動(dòng)來(lái)測(cè)量加速度。在沒(méi)有加速度的情況下，熱氣團(tuán)會(huì)在加熱器的上方成對(duì)稱分布。在加速度的作用下，熱氣團(tuán)會(huì)沿著加速度的方向移動(dòng)。由于器件不包含可被彎曲或者可位移的結(jié)構(gòu)，因此可以提供非常高的器件可靠性。
兩種技術(shù)最大的區(qū)別在于其不同的傳感技術(shù)。電容式MEMS加速度傳感器使用可位移的懸臂的結(jié)構(gòu)。對(duì)于用于傾角測(cè)量的低加速度器件，其懸臂結(jié)構(gòu)的固有帶寬通常大于5kHz，諧振頻率在2kHz左右。當(dāng)震動(dòng)的能量過(guò)大或者震動(dòng)的頻率接近其懸臂結(jié)構(gòu)諧振頻率，電容式加速度傳感器的輸出信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)失真或者共振。在大多數(shù)情況下，失真或者共振信號(hào)會(huì)導(dǎo)致巨大的零點(diǎn)漂移(特別是Z軸)，使得傳感器無(wú)法在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境中正確的還原真實(shí)的信號(hào)。在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境中的零點(diǎn)漂移是電容式加速度傳感器的一個(gè)固有的缺點(diǎn)，通常需要額外的技術(shù)將震動(dòng)的影響隔離或者減輕。
目前市場(chǎng)上有一些類似的技術(shù)，但是在一些特殊的環(huán)境中，震動(dòng)依舊會(huì)太大，以至于無(wú)法被降低到滿足電容式加速度傳感器的需要的水平。一種方案通過(guò)由橡膠軸套，彈簧或者阻尼裝置組成的懸掛裝置將震動(dòng)與加速度傳感器隔離。另一種方案是使用強(qiáng)度，諧振頻率更高的懸臂結(jié)構(gòu)，使其能夠承受更高的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。但是這種方案會(huì)導(dǎo)致成本,設(shè)計(jì)時(shí)間增加, 性能上也會(huì)有妥協(xié)。即使震動(dòng)能量能夠被降低到電容式MEMS加速度傳感器能夠正常工作的水平，信號(hào)失真仍然是一個(gè)不可避免的問(wèn)題。電容式傳感器較寬的頻率響應(yīng)特性會(huì)使其輸出容易受到高頻震動(dòng)的影響。通常需要通過(guò)超采樣技術(shù)和更多的處理器能力來(lái)濾除外頻能量和避免信號(hào)失真。機(jī)械沖擊帶來(lái)的動(dòng)能同樣能夠引起電容式MEMS加速度傳感器的信號(hào)失真和共振。機(jī)械沖擊通常類似于一個(gè)脈沖，具有強(qiáng)度大和時(shí)間短的特點(diǎn)。如果將這個(gè)脈沖從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，可以發(fā)現(xiàn)他是由很多不同頻率、不同振幅的震動(dòng)所組成。如果其中某個(gè)震動(dòng)頻率接近于傳感器的諧振頻率，就會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生共振，無(wú)法進(jìn)行精確的測(cè)量。當(dāng)機(jī)械沖擊足夠大，使得可移動(dòng)和固定電極相接觸，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生粘結(jié)失效。在極端情況下，甚至可能發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷。
另一個(gè)電容式MEMS加速度傳感器固有的問(wèn)題是在受到巨大沖擊的時(shí)候，其整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微小的形變，但也足以導(dǎo)致一顆完成校準(zhǔn)的器件的零點(diǎn)輸出發(fā)生漂移，進(jìn)而導(dǎo)致校準(zhǔn)失效。
相比之下，熱式MEMS加速度傳感器可以起到類似前級(jí)低通濾波器的作用，極大的降低震動(dòng)和沖擊對(duì)其的影響。
美新的MXC6244AU傳感器的帶帶寬為10Hz/-3db的帶寬且信號(hào)處理電路具有二級(jí)濾波功能，能夠提供出色的低通濾波響應(yīng)。因此，其本身就可以提供非常出色的傾角測(cè)量精度而無(wú)須占用過(guò)多的處理器計(jì)算能力。
電容式MEMS加速度傳感器通常需要兩顆芯片，一顆傳感器芯片和一顆信號(hào)處理芯片。通常來(lái)說(shuō)，傳感器芯片的面積比信號(hào)處理芯片大非常多。熱式MEMS加速度傳感器將傳感器和信號(hào)處理芯片整合在同一顆芯片上，因此實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更高可靠性的解決方案。
電容式MEMS加速度傳感器具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，比較適用于那些要求嚴(yán)格控制功耗的應(yīng)用場(chǎng)景。熱式MEMS傳感器的功耗通常為3毫瓦而電容式的功耗僅為其的1/10。這主要是熱式傳感器需要消耗一定的能量，在其內(nèi)部對(duì)氣體進(jìn)行加熱，產(chǎn)生溫度場(chǎng)來(lái)測(cè)量加速度。電容式MEMS加速度傳感器也適用于那些要求高頻率（>100Hz）和高g值得應(yīng)用，例如，防撞氣囊在汽車碰撞開(kāi)啟。其較寬的帶寬，較高的頻率和加速度的這些特性更好的滿足了該類應(yīng)用的需求。
集合了單芯片集成技術(shù)和非可移動(dòng)結(jié)構(gòu)部件這個(gè)優(yōu)點(diǎn)的熱式MEMS傳感器使其在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境能夠提供較高的可靠性和較精確的測(cè)量結(jié)果?；跓崾組EMS技術(shù)的美新產(chǎn)品MXC6244AU不受共振，震動(dòng)影響，沒(méi)有溫度遲滯效應(yīng)，能夠經(jīng)受50000g的沖擊，零點(diǎn)輸出穩(wěn)定，所有這些優(yōu)點(diǎn)成就了非常高的可靠性。
所以熱式MEMS加速度傳感器更適用于在高強(qiáng)度環(huán)境中對(duì)低g值（<10g）及和低頻率（<30Hz）的加速度進(jìn)行測(cè)量。
總的來(lái)說(shuō)，熱式MEMS加速度傳感器是非常適合于在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境中測(cè)量?jī)A角。其天然的低通濾波和不受共振影響的特性使其能夠在電容式MEMS加速度傳感器無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用中仍然提供精確的傾角測(cè)量結(jié)果。其獨(dú)有的單芯片集成技術(shù)以及無(wú)須可動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使其在特定的環(huán)境中能夠提供行業(yè)最高等級(jí)的可靠性。
