MEMS技術的熱對流式雙軸加速度傳感器
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消費電子、通信電子產品，如手機、數碼相機、數碼攝像機、PDA、MP3、PMP、P-DVD、DC、DV、NB、NetBook等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。這些產品的制造商要求其整機必須能通過1.2米或1.3米的自由跌落測試，從1.2米自由跌落至大理石地面將對整機產生大約50,000g的沖擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩沖作用，施加到加速度計上的沖擊加速度也將超過5,000g。為了抵御這種沖擊，制造商要求產品設計師在產品中設計緩沖系統，并采用加速度傳感器在第一時間獲取跌落信息，同時在第一時間將怕震電子器件的電源關閉，并予以保護，如高速旋轉的硬盤、光碟、錄像帶等均可使它們能夠快速地進入暫停狀態。為此，雙軸熱對流式加速度傳感器則是理想的可用器件之一。

熱對流式雙軸加速度傳感器

熱對流式雙軸加速度傳感器是以虛擬的、懸浮于空中的“熱氣團”作為重力塊。在微機械結構上沒有可活動的部分，其獨特的“橋式”結構牢牢地固定在硅芯片上（圖1），而使其能夠抵御大于50000g的沖擊。

圖1 熱對流式雙軸加速度傳感器結構圖
熱對流式加速度傳感器是采用MEMS技術，基于單片CMOS集成電路的制造工藝而生產出來的一個完整的加速度測量系統，就像其它加速度傳感器一樣有重力塊（質量塊）。熱對流式加速度傳感器是以可移動的熱對流小氣團作為重力塊的。通過測量，由加速度引起的內部腔體內的溫度氣團的位置變化來測量加速度。熱對流式加速度傳感器以氣態氣體作為質量塊，同傳統的實體質量塊相比，這種加速度傳感器具有很大的優勢，它不存在電容式傳感器所存在的粘連、顆粒等問題，同時還能抵抗50000g的沖擊。這使得熱對流式加速度傳感器生產的合格品率大大提高，生產成本有效降低，因而使用的故障率很低。

熱對流式加速度傳感器的工作原理

一個被放置在芯片中央的熱源在這個空腔中產生一個懸浮的“熱氣團”，同時四個由鋁和多晶硅組成的熱電耦組被等距離對稱地放置在熱源的四個方向。在未受到加速度或水平放置時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱的。此時，所有的四個熱電耦組均因感應溫度相同而產生的電壓是相同的（如圖2)。從圖2中，我們可以看到這個傳感器的剖面圖。上面是一個空腔氣室，因無加速度的外力作用，熱氣團位于正中央的中央熱源之上。圖3是受到一個加速度的作用，熱氣團向右偏移，原來四個熱電耦組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而向右發生△的偏量。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導致其不對稱，此時四個熱電耦組的輸出電壓會出現差異，而這熱電耦組輸出電壓的差異是直接與所感應的加速度成比例的。在加速度傳感器內部，有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條是用于測量X軸上所感應的加速度，另一條則是用于測量Y軸上所感應的加速度（如圖4）。

圖2 熱對流式加速度傳感器無外力作用時的工作原理剖面圖

圖3 熱對流式加速度傳感器有加速度作用時的工作原理剖面圖

圖4 模擬輸出的雙軸加速度傳感器內部拓撲圖

圖5 I2C輸出的雙軸加速度傳感器內部拓撲圖
從圖4、圖5可以看到這個熱對流式加速度傳感器的內部還包含傳感器的模擬信號后處理電路。來自同一軸、兩個方向的熱電耦組信號經差分放大、溫度比較、模數轉換、數模轉換、低通濾波和緩沖，輸出已經放大了的模擬信號，如MXA6500（圖4）；或經差分放大、溫度比較和模數轉換，直接將信號處理成I2C 接口界面，如MXC6202（圖5）。因此，熱對流式加速度傳感器是一個多芯片的片上系統，即SOC或MCM。

MXA6500和MXC6202熱對流式雙軸加速度傳感器的系統精度為1-2g/FS，工作電源為2.7-3.6V，模擬輸出靈敏度為500mV/g @ 3V。

由于熱對流式加速度傳感器采用MEMS技術以及基于標準的CMOS制造工藝，這使其圓片加工工序的成品率大大提高，全線成品率達到90%以上。ADI等著名集成電路公司都已開發了這種類型的加速度傳感器，如二軸的ADXL320/321，三軸的ADXL330；其它如MAS-LA/LD系列雙軸加速度傳感器等。MEMS IC在中國大陸設計和生產，更具有低成本的優勢，使產品更具競爭力。