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简述小型化MEMS传感器技术

发布时间:2018-02-07 责任编辑:lina

【导读】微加工已经成为一项关键技术传感器的小型化。能够通过使用标准的半导体制造技术,减少传感元件的尺寸允许显着减小尺寸。积分信号处理沿着感测元件进一步增强了机会,以减少系统的大小,省去了额外的引脚链接到外部设备。


微加工工艺技术的选择还可以确定小型化的限制,但是这通常由传感器类型确定。用于压力传感压电微机械元件具有以下比例比从CMOS硅建造基片,例如表面上的隔膜的机会,但可以提供更高的性能。
 
 
图1:表面微机械加工传感元件。传感器还从标定降低灵敏度和性能问题的影响,尽管这可以通过要素结构的创新设计来缓解。这种创新的设计也可用于多个元件集成到一个单一的传感器。这是最明显的出现在6轴加速度计,其中精心设计的元素可以提供移动数据以及多个轴。这也有助于小型化系统,一台设备替代多个传感器。然而,这一举动集成化和小型化是有代价的,通常在噪声和动态范围。例如,添加滤波和信号处理,以确定不同的作用力的复合感测元件上,并过滤出从不同的元素的噪声可导致一个较慢的响应时间和限制整个动态范围。虽然这可能是可以接受的小的,空间受限的应用,例如可佩戴电子,它可能不适合于小型,无人驾驶飞行器(UAV),其具有相似的空间的限制,但更高的精度要求。
 
等离子处理
 
的Kionix公司KXCJ9是3轴硅与一系列+/- 2克,±4克或±8克微机械加速度计。检测元件采用Kionix公司专有的等离子微加工工艺技术构建。加速度传感是基于来自感测元件,其采用共同模式解除从传感元件的设计,以减少这种情况发生,从工艺变化,温度的任何错误的加速度引起的运动而产生的差分电容的原理,和环境压力。感测元件被气密密封在由使用玻璃料使用密闭封装的第二硅晶片盖接合到所述装置中,而不是在晶片级,这有助于减小装置的整体尺寸。
 
 
图2:Kionix公司KXCJ9硅加速度计容纳于在从第二贴合晶片在晶片级别创建一个密闭的腔。一个单独的信号处理ASIC上安装有传感元件,以进一步降低传感器的整体尺寸,产生了3&TImes;3&TImes;0.9毫米的LGA塑料封装从1.8操作 - 3.6伏直流电源。稳压器用于保持对输入电源电压范围内恒定的内部工作电压。这样,可以通过输入电源电压的范围内稳定的工作特性,以从供给变异去除任何错误,并消除了对外部电源调节,进一步降低了设计的整体尺寸。
 
压力传感
 
意法半导体的LPS25H是使用内置由意法半导体开发专用的进程中单片压电电阻元件的超紧凑型绝对压力传感器。这是由一个单一的单晶硅基板内悬挂膜,创造出比传统方式建造的硅微膜显著更小的元素。破膜防止由内部机械止动件。这提供了范围260〜1260百帕,用于测量绝对压力,可应用于运动手表气象站。
 
 
图3:LPS25H可在一个10针腔洞穿LGA封装(HCLGA),其测量为2.5&TImes;2.5&TImes;1毫米,并躲藏允许外部压力到达压电传感元件。该接口使用标准的CMOS工艺,允许高度集成的设计被修整,以更好地匹配感测元件特性的专用电路。制造。整个测量链是由一个低噪声放大器,其中,所述MEMS传感器(压力,温度)的电阻不平衡转换为模拟电压,向用户提供通过嵌入24位模拟 - 数字转换器(组成ADC),带有一个输出数据速率(ODR),它是可选择的从1赫兹到25赫兹,单触发选项。所述LPS25H可在一个10针腔洞穿LGA封装(HCLGA),其测量为2.5×2.5×1毫米,并躲藏允许外部压力到达传感元件。使用压电元件允许它的温度范围从-30℃至+ 105℃上操作。
 
组合传感器
 
从微机械加速度计的多个轴组合数据经常用来提醒主处理器,该装置将要被激活的,但这种方法也是用户界面支持手势接口的日益一部分。使用数据的结合,使系统设计人员能够通过消除键盘,按钮等接口技术的进一步小型化的设备。飞思卡尔MMA8451Q的是体微机械加工三轴,电容式加速度传感器在使用所有三个轴,以提供所需要的数据一个3×3×1毫米QFN封装,14位分辨率。运动检测功能可以分析静态加速度的变化或更快的颠簸。例如,要检测的对象是纺纱,所有三个轴将与一个阈值检测超过2克启用。

当加速度超过设定阈值时,无论是作为一个快速抖动或慢速倾斜,运动可以触发中断,这取决于配置的事件的阈值和定时值。这种条件将需要发生了至少100毫秒,以确保该事件不只是噪声。的定时值是通过一个可配置的去抖动计数器,它的作用就像一个过滤器,以确定条件是否存在一组可配置的时间(即,100毫秒或更长)来设置。也有在源寄存器以检测运动的方向提供方向数据。这对于应用如定向摇动或轻弹,这有助于与算法关于各种手势检测是有用的。就有机会获得这两个低通滤波数据以及高通滤波后的数据,最大限度地减少所需的颠簸检测和更快的转换数据分析。加速度数据通过高通滤波器,省去了偏移(DC)和低频率。

高通滤波器的截止频率可以由用户到其中四个取决于ODR不同的频率来设置。较高的截止频率保证了DC数据或更慢的移动数据将被过滤掉,只允许更高的频率通过。嵌入式瞬态检测功能,采用了高通滤波后的数据允许用户设置阈值和去抖计数器。瞬态检测功能所用的相同的方式运动检测通过绕过高通滤波器使用,这提供了更大的灵活性,以覆盖不同的方式,加速度计可以以各种客户设计中使用。许多应用程序使用的加速度计的静态加速度读数通过从重力测量加速度变化纯粹以测量设备的倾斜。这得益于加速度数据被滤波以其中高频数据被认为是噪声的低通滤波器。

然而,也有很多,其中,加速度计必须分析动态加速度的功能。接口功能,如自来水,轻弹,摇晃和步数的计数的基础上在所述加速度变化的分析,这是更简单的使用动态加速度数据的静态成分已被除去后解释这些功能。该MMA8451Q已经嵌入了用于设置脉冲时间宽度和脉冲之间的时间延迟多种可自定义定时器支持单/双和定向自来水检测。有对所有三个轴可编程阈值和抽头检测可配置为通过高通滤波器,也运行通过一个低通滤波器,提供更多的定制和可调谐抽头检测方案。状态寄存器提供有关检测到的事件,其中所述轴和所述抽头的方向更新。
 
结论
 
不同的微加工技术,给设计师一个小型化系统不同的优化选项。这些范围从积分信号处理,以减少组合多个数据流的传感器的整体尺寸,以消除系统中的其它,更大的设备的另一种方式,以减少系统的整体大小。然而,底层传感器技术的选择可以限制的总体范围和设备的性能,因此需要仔细考虑沿着移动到小型化。





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