三軸加速度傳感器原理及應用

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，通過感測器轉換為電子信號，再最終轉換為可用的信息，如加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器等。其主要感應方式是對一些微小的物理量的變化進行測量，如電阻值、電容值、應力、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，做出其要求的反應動作，如光敏開關、MEMS顯示器等。
目前的加速度傳感器有多種實現方式，主要可分為壓電式、電容式及熱感應式三種，這三種技術各有其優缺點。以電容式3軸加速度計的技術原理為例。電容式加速度計能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。其主要為利用硅的機械性質設計出的可移動機構，機構中主要包括兩組硅梳齒（Silicon Fingers），一組固定，另一組隨即運動物體移動；前者相當于固定的電極，后者的功能則是可移動電極。當可移動的梳齒產生了位移，就會隨之產生與位移成比例電容值的改變。

當運動物體出現變速運動而產生加速度時，其內部的電極位置發生變化，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械性MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分，前者內部有成群移動的電子，主要測量XY及Z軸的區域，后者則將電容值的變化轉換為電壓輸出。
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，而在目前的實際生產制造中，由于二者實現技術上的差異，這兩部分大都會通過不同的加工流程來生產，再最終封裝整合到一起成為系統單封裝芯片（SiP）。封裝形式可采用堆疊（Stacked）或并排（Side-by-Side）。
手持設備設計的關鍵之一是尺寸的小巧。目前ST采用先進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備的應用。但考慮到用戶對尺寸可能提出的進一步需求，加速度傳感器的設計要實現更小的尺寸、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）發展。
下一代產品的設計永遠是ST關注的要點。就加速度傳感器的發展而言，單芯片結構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成本的加工環節，如果能實現單芯片的設計，其優點不言而喻，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
加速度傳感器針對不同的應用場景，也在特性上體現為不同的規格。用戶需根據自身的具體需要選取最適合的產品。如上文提到的汽車車身沖擊傳感器或洗衣機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，需要中頻（20~50Hz）以上的加速度傳感器；而手持設備的姿態識別和動作檢測只需低頻（0~20Hz）產品即可。
線形加速度傳感器的選取還需要考慮滿量程（Full Scale，FS）、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，是產生測量輸出值的最小輸入值；解析度則表示了輸入參數最小增量。
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，還需要在系統中添加模數轉換（ADC）；數字式加速度傳感器的接口芯片中已經集成了ADC電路，可直接以SPI或I2C等實現數字傳輸。數字式產品在成本上也有一定優勢，因為高質量ADC通常比較昂貴，價格甚至可超過傳感器部分的單獨售價。

三軸加速度傳感器的應用
1、車身安全、控制及導航系統中的應用
加速度傳感器在進入消費電子市場之前，實際上已被廣泛應用于汽車電子領域，主要集中在車身操控、安全系統和導航，典型的應用如汽車安全氣囊（Airbag）、ABS防抱死剎車系統、電子穩定程序（ESP）、電控懸掛系統等。

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量越來越多，相應對傳感器的要求也越來越嚴格。整個氣囊控制系統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，當車身受到撞擊時，沖擊傳感器會在幾微秒內將信號發送至該電子控制器。隨后電子控制器會立即根據碰撞的強度、乘客數量及座椅/安全帶的位置等參數，配合分布在整個車廂的傳感器傳回的數據進行計算和做出相應評估，并在最短的時間內通過電爆驅動器（Squib Driver）啟動安全氣囊保證乘客的生命安全。
除了車身安全系統這類重要應用以外，目前加速度傳感器在導航系統中的也在扮演重要角色。專家預測便攜式導航設備（PND）將成為中國市場的熱點，其主要利于GPS衛星信號實現定位。而當PND進入衛星信號接收不良的區域或環境中就會因失去信號而喪失導航功能?；贛EMS技術的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建方位推算系統（DR, Dead Reckoning），對GPS系統實現互補性應用。

2、硬盤抗沖擊防護
目前由于海量數據對存儲方面的需求，硬盤和光驅等元器件被廣泛應用到筆記本電腦、手機、數碼相機/攝相機、便攜式DVD機、PMP等設備中。便攜式設備由于其應用場合的原因，經常會意外跌落或受到碰撞，而造成對內部元器件的巨大沖擊。

為了使設備以及其中數據免受損傷，越來越多的用戶對便攜式設備的抗沖擊能力提出要求。一般便攜式產品的跌落高度為1.2~1.3米，其在撞擊大理石質地面時會受到約50KG的沖擊力。雖然良好的緩沖設計可由設備外殼或PCB板來分解大部分沖擊力，但硬盤等高速旋轉的器件卻在此類沖擊下顯得十分脆弱。如果在硬盤中內置3軸加速度傳感器，當跌落發生時，系統會檢測到加速的突然變化，并執行相應的自我保護操作，如關閉抗震性能差的電子或機械器件，從而避免其受損，或發生硬盤磁頭損壞或刮傷盤片等可能造成數據永久丟失的情況。

3、消費產品中的創新應用
3軸加速度傳感器為傳統消費及手持電子設備實現了革命性的創新空間。其可被安裝在游戲機手柄上，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動變成真正的肢體和身體的運動,實現比以往按鍵操作所不能實現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）提供補償功能，也可用于數碼相機的防抖。以上提到的種種創新應用使其成為下一代產品設計中必不可少的元件。
1．姿態與動作識別
3軸加速度傳感器的應用范圍很廣，除了文中提到的游戲動作操控外，還能用于手持設備的姿態識別和UI操作。例如借助3軸加速度傳感器，手持設備可實現畫面自動轉向。iPod Touch就內建了此功能，設備顯示的畫面和信息會根據用戶的動作而自動旋轉。其通過內部傳感器對重力向量的方向檢測來確定設備處于水平或垂直狀態，并自動調整顯示狀態，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的按鍵動作變化為震動，用戶可通過單次或多次震動來進行功能的選擇，如曲目的選擇、音量控制等。此外，該功能還可擴展至對用戶界面元素的操控。如屏幕顯示內容的上下左右等方向的瀏覽可通過傾斜手持設備來完成。
2．趣味性擴展功能
3軸加速度傳感器對用戶操控動作的轉變還可轉化為許多趣味性的擴展功能上，如虛擬樂器、虛擬骰子游戲，以及“閃訊”（Wave Message）等。虛擬樂器內置的加速度傳感器可檢測用戶對手持設備的揮動來控制樂器的節奏和音量等；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速度，并借助內部數學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用，用戶可利用此功能在空中進行文字編輯?！伴W訊”即讓手持設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，主要適合較暗的環境下使用。手持設備上會安裝發光的LED，由于人眼視網膜的視覺暫留現象，其在空中揮動的動作會在其眼中留下短暫的連續畫面，完成寫字的所有動作筆順。
3．功耗控制
功耗一直是便攜設備設計中要考慮的重要因素，內置3軸加速度傳感器則使設備可通過檢測設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
成熟的制程技術是3軸加速度傳感器和其他MEMS產品在消費電子產品市場成功的關鍵之一。目前，為了達到產量及質量控制的嚴格要求，充分利用全球半導體產業界的制造和材料資源，以及生產流程控制經驗，MEMS類元器件大多采用標準的CMOS半導體制造技術，這樣不但能使其生產制造從規模經濟中受惠，還能讓MEMS元器件隨光照制程的微型化先進制程不斷演進和發展，產品體積更小。
然而在制程技術上，MEMS類組件的生產與其它一般芯片有所差異。早期的MEMS產品制造中多采用單晶硅為材料，和比較簡單且穩定的體型微加工（Bulk Micro-Machining）技術，缺點是制造成本較高。目前的制造技術比較接近集成電路半導體的制程，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類元件制程技術雖然在工藝和加工設備上較類似，大都采用文中提到的CMOS制程與表面微加工技術，但為了與自身的生產制造特點相符，制造商往往會根據自己的經驗開發出其特有的生產加工平臺及相應的流程，以實現縮短生產周期、提高產品質量和降低加工成本的目的。
Thelma制程技術，即厚磊晶層（Thick Epitaxial Layer for Micro-Gyroscopes and Accelerometer）技術，是ST發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元器件的生產加工。其通過運用深度蝕刻技術及犧牲層（Sacrificial-Layer）等理論，可在微型裝置中加工出能實現各種動作的精密機械機構。Thelma制程技術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、結構層的磊晶生長、用通道蝕刻將結構層圖樣化、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、更穩定的加工流程，芯片與傳感器的功能相獨立還保證了設計上的靈活性。獨特的Thelma技術還可提供完整的鑄模封裝，使生產出的元器件具有極可靠的物理性質，能制造出最佳的制止器（Stopper），降低電極之間的靜電摩擦等風險。與傳統工藝相比較，Thelma技術可以減少芯片面積，因而克服體型微加工過程中常見的設計局限。此外，其會生長出一塊厚度約15微米（um）的多晶硅磊晶層。該硅結構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。