一文帶你了解熱氣流式MEMS加速度傳感器

2021-03-01 美新半導體

加速度傳感器是一種感應物體加速度的變化,並將其轉換成電信號的器件。加速度傳感器和其它傳感器(陀螺儀等)以及相關算法相融合,可用於感測物體運動相關的情況,包括加速度、傾角、振動和運動模式識別等,廣泛應用於消費電子、汽車和工業領域。

MEMS(微機電系統)加速度傳感器是MEMS領域最早開始研究的傳感器之一。經過多年的發展,MEMS加速度傳感器的設計和加工技術已經日趨成熟。根據感測機理不同,MEMS加速度傳感器可以分為壓阻式、熱氣流式、諧振式和電容式等。

其中熱氣流式和電容式MEMS加速度傳感器由於技術成熟、且環境適應性強,是目前應用最為廣泛的MEMS加速度傳感器。

電容式加速度傳感器的原理可以簡化為彈簧質量塊系統,當質量塊受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值產生變化。因此電容式加速度傳感器依賴於一個有著往復運動部件的機械系統。

美新半導體(MEMSIC)設計和製造世界上獨一無二的熱氣流式加速度傳感器,其採用加熱的氣體作為「檢測質量(proof mass)」,沒有固態運動部件。因為沒有固態的運動部件,所以避免了傳統的機械運動系統固有的一些問題和風險,比如在衝擊力或應力作用下的斷裂、粘連、卡滯等。

對於熱氣流式加速度傳感器的原理,很多人覺得不可思議。其實我們可以對系統做一個簡化,想像成一個密閉空腔內有一個受熱的「氣泡」。這個熱的「氣泡」就是所謂的加速度的「檢測質量」。

當物體以一定的加速度運動時,「氣泡」在慣性作用下必然相對於空腔做反方向運動。此時,對稱分布於空腔內部四周的熱電偶就能感測到溫度差值的變化,再利用惠斯登電橋就能將這種變化轉化為電信號輸出。

美新更利用獨有的專利方法,使用標準CMOS IC工藝將前沿的傳感器技術和混合信號處理電路集成到一個可靠的、高質量的單一晶片上。

相較於電容式加速度傳感器的MEMS的Die和ASIC的Die必須分開設計、製造,並在後期做Bonding和封裝,美新的熱氣流式加速度傳感器實現了單晶片集成MEMS和ASIC,並採用晶圓級封裝(WLP)。

美新的MXC4005XC作為在消費類電子市場主推多年的成熟產品,晶片尺寸只有1.18mm×1.70mm×0.85mm,是目前世界上體積最小的MEMS加速度傳感器。

美新的熱氣流式加速度傳感器具有非常獨特的優勢,在智慧型手機、智能穿戴設備、智能家居和眾多智能IoT設備上得到了廣泛的應用:

傳統電容式加速度計因為有持續運動的微質量塊,在跌落測試中容易粘連、卡滯。而熱氣流式傳感器內部是氣體,沒有這樣的問題。

熱氣流式加速度計內部是氣體,是自然的低通濾波器,對馬達的高頻振動,相較電容式加速度計而言不敏感,因此不容易被馬達的振動幹擾到。

主要是因為熱電偶冷熱極分布較長(毫米級),而電容式的極板距離則是以微米計,因此對線路板彎曲的敏感度不同。x/y軸的offset在SMT前後變化不大,較電容式加速度計小。

經過美新工廠trim的零漂很小。因為對應力的容忍度較大,也不會因手機工廠SMT工序產生的應力而有過大變化。

熱氣流式加速度傳感器無運動部件、單片集成的設計,總體上結構簡單,易於製造,更有效的降低了成本。基於技術和成本上的優勢,美新的加速度計在全球消費和工業類電子市場上一直佔據較大份額,持續多年的年出貨量超過1億顆,並保持低於20ppm不良率。

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