MEMS热对流传感器白皮书.PDFVIP

MEMS 热对流传感器白皮书  电容式和热式 MEMS 传感器在高强度震动应用中的对比      设计工程师在开发重型装备的过程中通常需要在不同种类的加速度计中做出选择。例如，在 起重机，拖拉机，木材切割机以及建筑工程等重型机械中，设计者需要通过使用加速度传感 器来测量设备工作时的俯仰和翻滚角。 在多数应用中，设备设计者通常会在电容式和热式 MEMS 加速度传感器之间选择一种。他们 通常会根据传感器的主要特性，比如结构，共振频率，可靠性，稳定性，带宽，功耗以及成 本来作出选择。而且，他们更加需要了解的是，两种类型在在高强度震动环境下测量倾角的 各自的优缺点。 加速度传感器可以直接测量重力加速度的三个分量，倾斜角可以通过对重力加速度的三个分 量进行数学计算而得到。一个双轴加速度传感器可以通过测量倾斜的正弦角度来确定当前的 俯仰和翻滚角度。理论上可测量的角度范围是 0 ± 90 度 。由于正弦函数的变化率在接 近 90 度的范围逐渐趋小，所以只能 0 ± ~ 70 度的范围内可以提供较高的精度。然而一颗 双轴加速度传感器可以测量俯仰角或翻转角的范围可以达到 0 ±180 度。利用一颗三轴或 者两颗双轴加速度传感器可以在全量程范围内测量俯仰角（0 ±90 度）和翻滚角（0 ±180 度）。由于三轴加速度传感器的 Z 轴性能比 XY 轴略低，因此大多数应用还是会使用两颗双轴 加速度传感器。 一颗基于悬臂的三轴电容式 MEMS 加速度传感器通过测量作用在质量块上的力来计算加速度。 在加速度的作用下，质量块与固定电极之间的间距发生变化进而导致他们之间的电容发生变 化。由于电容的变化率与加速度的大小成比例关系。因此，加速度可以通过电容的计算变化 量而确定。 典型的双轴热式 MEMS 加速度传感器基于单芯片集成技术。传感器和控制电路的芯片被集成 在一个气密性封装中。传感器包含一个通过硅刻蚀生成的空腔以及一组置于空腔中加热器和 温度测量单元。与电容式器件不同，热式传感器通过监测封装腔体内的被加热器团的移动来 测量加速度。在没有加速度的情况下，热气团会在加热器的上方成对称分布。在加速度的作 用下，热气团会沿着加速度的方向移动。由于器件不包含可被弯曲或者可位移的结构，因此 可以提供非常高的器件可靠性。 两种技术最大的区别在于其不同的传感技术。电容式 MEMS 加速度传感器使用可位移的悬臂 的结构。对于用于倾角测量的低加速度器件，其悬臂结构的固有带宽通常大于 5kHz，谐振 频率在 2kHz 左右。当震动的能量过大或者震动的频率接近其悬臂结构谐振频率，电容式加 速度传感器的输出信号可能会出现失真或者共振。在大多数情况下，失真或者共振信号会导 致巨大的零点漂移(特别是 Z 轴)，使得传感器无法在高强度震动环境中正确的还原真实的 信号。在高强度震动环境中的零点漂移是电容式加速度传感器的一个固有的缺点，通常需要 额外的技术将震动的影响隔离或者减轻。 目前市场上有一些类似的技术，但是在一些特殊的环境中，震动依旧会太大，以至于无法被 降低到满足电容式加速度传感器的需要的水平。一种方案通过由橡胶轴套，弹簧或者阻尼装 置组成的悬挂装置将震动与加速度传感器隔离。 另一种方案是使用强度，谐振频率更高的 悬臂结构，使其能够承受更高的机械冲击和震动。但是这种方案会导致成本,设计时间增加, 性能上也会有妥协。即使震动能量能够被降低到电容式 MEMS 加速度传感器能够正常工作的 水平，信号失真仍然是一个不可避免的问题。电容式传感器较宽的频率响应特性会使其输出 容易受到高频震动的影响。通常需要通过超采样技术和更多的处理器能力来滤除外频能量和 避免信号失真。机械冲击带来的动能同样能够引起电容式 MEMS 加速度传感器的信号失真和 共振。 机械冲击通常类似于一个脉冲，具有强度大和时间短的特点。如果将这个脉冲从时 域转换成频域，可以发现他是由很多不同频率、不同振幅的震动所组成。如果其中某个震动 频率接近于传感器的谐振频率，就会导致传感器产生共振，无法进行精确的测量。当机械冲 击足够大，使得可移动和固定电极相接触，可能导致结构发生粘结失效。在