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-電容式和熱式MEMS傳感器在高強度震動應用中的對比

無錫2016年5月24日電 /美通社/ -- 位于美國馬薩諸塞州安多弗的美新公司近日發布白皮書，揭示其產品美新MEMS傳感器具有降低震動，減小沖擊，實現更小的尺寸和更高可靠性的解決方案，為高強度震動環境下提供可靠性和高精度的測量結果。此外，美新是全球僅有的同時具備 MEMS 傳感器和傳感系統集成技術的公司。

設計工程師在開發重型裝備的過程中通常需要在不同種類的加速度計中做出選擇。例如，在起重機，拖拉機，木材切割機以及建筑工程等重型機械中，設計者需要通過使用加速度傳感器來測量設備工作時的俯仰和翻滾角。

 
MEMS熱對流傳感器在工業領域的應用

在多數應用中，設備設計者通常會在電容式和熱式MEMS加速度傳感器之間選擇一種。他們通常會根據傳感器的主要特性，比如結構，共振頻率，可靠性，穩定性，帶寬，功耗以及成本來作出選擇。而且，他們更加需要了解的是，兩種類型在在高強度震動環境下測量傾角的各自的優缺點。

加速度傳感器可以直接測量重力加速度的三個分量，傾斜角可以通過對重力加速度的三個分量進行數學計算而得到。一個雙軸加速度傳感器可以通過測量傾斜的正弦角度來確定當前的俯仰和翻滾角度。理論上可測量的角度范圍是0 +/- < 90 度 。由于正弦函數的變化率在接近90度的范圍逐漸趨小，所以只能0 +/- ~ 70 度的范圍內可以提供較高的精度。然而一顆雙軸加速度傳感器可以測量俯仰角或翻轉角的范圍可以達到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測量俯仰角（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，因此大多數應用還是會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加速度傳感器通過測量作用在質量塊上的力來計算加速度。在加速度的作用下，質量塊與固定電極之間的間距發生變化進而導致他們之間的電容發生變化。由于電容的變化率與加速度的大小成比例關系。因此，加速度可以通過電容的計算變化量而確定。

典型的雙軸熱式MEMS加速度傳感器基于單芯片集成技術。傳感器和控制電路的芯片被集成在一個氣密性封裝中。傳感器包含一個通過硅刻蝕生成的空腔以及一組置于空腔中加熱器和溫度測量單元。與電容式器件不同，熱式傳感器通過監測封裝腔體內的被加熱器團的移動來測量加速度。在沒有加速度的情況下，熱氣團會在加熱器的上方成對稱分布。在加速度的作用下，熱氣團會沿著加速度的方向移動。由于器件不包含可被彎曲或者可位移的結構，因此可以提供非常高的器件可靠性。

兩種技術最大的區別在于其不同的傳感技術。電容式MEMS加速度傳感器使用可位移的懸臂的結構。對于用于傾角測量的低加速度器件，其懸臂結構的固有帶寬通常大于5kHz，諧振頻率在2kHz左右。當震動的能量過大或者震動的頻率接近其懸臂結構諧振頻率，電容式加速度傳感器的輸出信號可能會出現失真或者共振。在大多數情況下，失真或者共振信號會導致巨大的零點漂移(特別是Z軸)，使得傳感器無法在高強度震動環境中正確的還原真實的信號。在高強度震動環境中的零點漂移是電容式加速度傳感器的一個固有的缺點，通常需要額外的技術將震動的影響隔離或者減輕。

目前市場上有一些類似的技術，但是在一些特殊的環境中，震動依舊會太大，以至于無法被降低到滿足電容式加速度傳感器的需要的水平。一種方案通過由橡膠軸套，彈簧或者阻尼裝置組成的懸掛裝置將震動與加速度傳感器隔離。 另一種方案是使用強度，諧振頻率更高的懸臂結構，使其能夠承受更高的機械沖擊和震動。但是這種方案會導致成本,設計時間增加, 性能上也會有妥協。即使震動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，信號失真仍然是一個不可避免的問題。電容式傳感器較寬的頻率響應特性會使其輸出容易受到高頻震動的影響。通常需要通過超采樣技術和更多的處理器能力來濾除外頻能量和避免信號失真。機械沖擊帶來的動能同樣能夠引起電容式MEMS加速度傳感器的信號失真和共振。 機械沖擊通常類似于一個脈沖，具有強度大和時間短的特點。如果將這個脈沖從時域轉換成頻域，可以發現他是由很多不同頻率、不同振幅的震動所組成。如果其中某個震動頻率接近于傳感器的諧振頻率，就會導致傳感器產生共振，無法進行精確的測量。當機械沖擊足夠大，使得可移動和固定電極相接觸，可能導致結構發生粘結失效。在極端情況下，甚至可能發生結構損傷。

另一個電容式MEMS加速度傳感器固有的問題是在受到巨大沖擊的時候，其整體結構會發生微小的形變，但也足以導致一顆完成校準的器件的零點輸出發生漂移，進而導致校準失效。

相比之下，熱式MEMS加速度傳感器可以起到類似前級低通濾波器的作用，極大的降低震動和沖擊對其的影響。

 
美新’ MXC6244AU 3x3x1.2mm (L x W x H) – 抗震動，高可靠性

美新的MXC6244AU傳感器的帶帶寬為10Hz/-3db的帶寬且信號處理電路具有二級濾波功能，能夠提供出色的低通濾波響應。因此，其本身就可以提供非常出色的傾角測量精度而無須占用過多的處理器計算能力。

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處理芯片。通常來說，傳感器芯片的面積比信號處理芯片大非常多。熱式MEMS加速度傳感器將傳感器和信號處理芯片整合在同一顆芯片上，因此實現更小的尺寸和更高可靠性的解決方案。

 
因為美新MEMS傳感器沒有移動部件，所以有很強的抗沖擊力和穩定性。

電容式MEMS加速度傳感器具有低功耗的優點，比較適用于那些要求嚴格控制功耗的應用場景。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，在其內部對氣體進行加熱，產生溫度場來測量加速度。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值得應用，例如，防撞氣囊在汽車碰撞開啟。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用的需求。

集合了單芯片集成技術和非可移動結構部件這個優點的熱式MEMS傳感器使其在高強度震動環境能夠提供較高的可靠性和較精確的測量結果。基于熱式MEMS技術的美新產品MXC6244AU不受共振，震動影響，沒有溫度遲滯效應，能夠經受50000g的沖擊，零點輸出穩定，所有這些優點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度環境中對低g值（<10g）及和低頻率（<30Hz）的加速度進行測量。

總的來說，熱式MEMS加速度傳感器是非常適合于在高強度震動環境中測量傾角。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加速度傳感器無法進行測量的應用中仍然提供精確的傾角測量結果。其獨有的單芯片集成技術以及無須可動結構的設計使其在特定的環境中能夠提供行業最高等級的可靠性。

白皮書下載地址：http://www.memsic.cn/about-memsic/publications.cfm?nid=56&newsyear=2016