电容式和热式MEMS传感器在高强度震动应用中的对比
发布时间：2016-5-27 11:05
发布者：eechina
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位于美国马萨诸塞州安多弗的美新公司近日发布白皮书，揭示其产品美新MEMS传感器具有降低震动，减小冲击，实现更小的尺寸和更高可靠性的解决方案，为高强度震动环境下提供可靠性和高精度的测量结果。此外，美新是全球仅有的同时具备 MEMS 传感器和传感系统集成技术的公司。 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。 
MEMS热对流传感器在工业领域的应用 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。在极端情况下，甚至可能发生结构损伤。 另一个电容式MEMS加速度传感器固有的问题是在受到巨大冲击的时候，其整体结构会发生微小的形变，但也足以导致一颗完成校准的器件的零点输出发生漂移，进而导致校准失效。 相比之下，热式MEMS加速度传感器可以起到类似前级低通滤波器的作用，极大的降低震动和冲击对其的影响。 
美新’ MXC6244AU 3x3x1.2mm (L x W x H) – 抗震动，高可靠性 美新的MXC6244AU传感器的带带宽为10Hz/-3db的带宽且信号处理电路具有二级滤波功能，能够提供出色的低通滤波响应。因此，其本身就可以提供非常出色的倾角测量精度而无须占用过多的处理器计算能力。 电容式MEMS加速度传感器通常需要两颗芯片，一颗传感器芯片和一颗信号处理芯片。通常来说，传感器芯片的面积比信号处理芯片大非常多。热式MEMS加速度传感器将传感器和信号处理芯片整合在同一颗芯片上，因此实现更小的尺寸和更高可靠性的解决方案。 
因为美新MEMS传感器没有移动部件，所以有很强的抗冲击力和稳定性。 电容式MEMS加速度传感器具有低功耗的优点，比较适用于那些要求严格控制功耗的应用场景。热式MEMS传感器的功耗通常为3毫瓦而电容式的功耗仅为其的1/10。这主要是热式传感器需要消耗一定的能量，在其内部对气体进行加热，产生温度场来测量加速度。电容式MEMS加速度传感器也适用于那些要求高频率（>100Hz）和高g值得应用，例如，防撞气囊在汽车碰撞开启。其较宽的带宽，较高的频率和加速度的这些特性更好的满足了该类应用的需求。 集合了单芯片集成技术和非可移动结构部件这个优点的热式MEMS传感器使其在高强度震动环境能够提供较高的可靠性和较精确的测量结果。基于热式MEMS技术的美新产品MXC6244AU不受共振，震动影响，没有温度迟滞效应，能够经受50000g的冲击，零点输出稳定，所有这些优点成就了非常高的可靠性。 所以热式MEMS加速度传感器更适用于在高强度环境中对低g值（<10g）及和低频率（<30Hz）的加速度进行测量。 总的来说，热式MEMS加速度传感器是非常适合于在高强度震动环境中测量倾角。其天然的低通滤波和不受共振影响的特性使其能够在电容式MEMS加速度传感器无法进行测量的应用中仍然提供精确的倾角测量结果。其独有的单芯片集成技术以及无须可动结构的设计使其在特定的环境中能够提供行业最高等级的可靠性。 |
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