簡介

加速度計(jì)在很多市場中都有著重要的作用。智能手機(jī)中會(huì)用到加速度計(jì)，汽車中也會(huì)用到加速度計(jì)。這一器件在醫(yī)療中的應(yīng)用也是與日俱增。對(duì)速度的變化率的測(cè)量似乎可以有無限的應(yīng)用。根據(jù)Yole《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2018版》報(bào)告顯示，消費(fèi)類市場仍是加速度計(jì)等慣性MEMS器件最大的細(xì)分市場，不過，該領(lǐng)域價(jià)格壓力巨大，且競爭非常激烈；近年火熱的自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域則青睞高性能慣性器件，但MEMS技術(shù)仍能分得一杯羹；2017年，加速度計(jì)等慣性MEMS器件的市場規(guī)模約為35億美元，預(yù)計(jì)到2023年將增長至40億美元，2017~2023年期間的復(fù)合年增長率高于3%。

設(shè)計(jì)創(chuàng)建加速度計(jì)的技術(shù)有很多種。其中一種常用的技術(shù)是制造具有彈簧懸掛質(zhì)量塊的 MEMS器件（圖1）。發(fā)生加速時(shí)，質(zhì)量塊將會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)進(jìn)而縮短固定齒和可動(dòng)齒之間的間隙，電容也相應(yīng)地發(fā)生變化。由于固定齒上加有電壓，當(dāng)質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)，可動(dòng)齒會(huì)由于電容的變化產(chǎn)生電壓。測(cè)量該電壓即可確定加速度。然而，可動(dòng)部件會(huì)受到以下情況的影響：粘滯（兩個(gè)緊密相鄰的表面彼此粘附，如梳齒）、振動(dòng)產(chǎn)生的誤差以及沖擊力（g-force）導(dǎo)致的可動(dòng)部件的斷裂。

圖1：質(zhì)量塊MEMS加速度計(jì)示意圖

現(xiàn)在讓我們聚焦到位于馬薩諸塞州安多弗的MEMSIC? Inc.（美新半導(dǎo)體有限公司，以下簡稱MEMSIC）。MEMSIC開發(fā)了一種沒有可動(dòng)部件的MEMS和CMOS IC技術(shù)。采用獨(dú)特的熱技術(shù)，通過被加熱的氣體分子來測(cè)量加速度。因此，MEMSIC加速度計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)：

無粘滯作用

可承受50kg以上的沖擊力

無可測(cè)諧振（具有抗振性）

零g失調(diào)穩(wěn)定

無可測(cè)的遲滯現(xiàn)象

要將混合信號(hào)處理電路與MEMS器件設(shè)計(jì)到同一芯片上非常困難，不過MEMSIC已成功將這些技術(shù)集成到同一硅片上，并且已向各行業(yè)批量供應(yīng)了多款加速度計(jì)。該公司還克服了另外兩大障礙，做到了堅(jiān)持使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC工藝從而維持低成本生產(chǎn)并且使用Tanner的單套工具將設(shè)計(jì)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化。

檢測(cè)加速和運(yùn)動(dòng)

大多數(shù)加速度計(jì)依靠滑塊確定運(yùn)動(dòng)，但MEMSIC卻使用硅中熱機(jī)械傳感器（圖2），因此從眾多競爭產(chǎn)品中脫穎而出。

圖2：MEMSIC加速度計(jì)基本結(jié)構(gòu)

該傳感器大小為1平方毫米，其中心是一個(gè)在高于環(huán)境溫度100度的情況下工作的加熱器。加熱器周圍對(duì)稱放置著熱電堆，可感測(cè)不同位置的溫度。熱電堆由一系列熱電偶或溫度感應(yīng)元件組成，串聯(lián)連接以抬高電壓。整個(gè)傳感器完全密封在氣腔中，外面是用于放大、控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，在三軸型號(hào)中還包括數(shù)字補(bǔ)償/校準(zhǔn)電路。

在不運(yùn)動(dòng)時(shí)，熱電堆之間的熱分布是平衡的。但只要運(yùn)動(dòng)或加速，就會(huì)改變加熱器周圍的對(duì)流模式，使加速方向上的熱電堆變得比其他位置上的熱。模擬電路將熱電堆產(chǎn)生的信號(hào)變化解讀為運(yùn)動(dòng)和加速。

由于沒有可動(dòng)部件，MEMSIC的加速度計(jì)在測(cè)量傾側(cè)、傾斜、沖擊和振動(dòng)方面，比對(duì)應(yīng)的機(jī)械部件要更持久、更可靠，且耐沖擊性可達(dá)到25倍以上（大于50kg）。其加速度計(jì)芯片廣泛應(yīng)用于需要控制或測(cè)量運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)品中，如汽車報(bào)警器、移動(dòng)電子設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、電梯控制、病患監(jiān)測(cè)設(shè)備和供游戲使用的頭戴式顯示器。