MEMS传感器中的小型化_凯利讯半导体

       微机械加工已成为传感器小型化的关键技术。通过使用标准的半导*造技术能够减小传感元件的尺寸，使得尺寸急剧减小。将信号处理与传感元件集成在一起进一步增强了减小系统尺寸的机会，消除了额外引脚连接到外部设备的需要。微加工工艺技术的选择也可以确定小型化的极限，但这通常是由传感器类型决定的。用于压力传感的压电微机械元件比在衬底表面上由CMOS硅制成的膜片具有更小的缩放比例，但是可以提供更高的性能。

　　表面微机械传感元件的图像

　　图1：表面微机械传感元件。

　　传感器也会遇到减小灵敏度和性能的结垢问题，尽管这可以通过元件结构的创新设计来减轻。这种创新设计还可以用于将多个元件集成到单个传感器中。这是最明显的六轴加速度计的元素精心设计可以提供移动数据沿多轴。这也有助于小型化系统，用一个装置更换几个传感器。

　　然而，这种集成和小型化的移动通常是在噪声和动态范围内进行的。例如，添加滤波和信号处理来确定作用在复杂传感元件上的不同力，并滤除来自不同元件的噪声，这会导致响应时间变慢，并限制整个动态范围。虽然这可能是可接受的小，空间受限的应用，如可穿戴电子设备，它可能不适合小型，无人机(UAV)，具有相似的空间约束，但更高的精度要求。

　　等离子体处理

　　这是一kxcj9 Kionix三轴硅微机械加速度传感器与一系列的+ / - 2克，+ / - 4克或+ / - 8克感元件采用Kionix专有的等离子体加工工艺技术。

　　加速度传感是基于由感测元件的加速度引起的运动引起的差分电容的原理，该传感元件使用从感测元件的设计中消除的共模消除，以减少由过程变化、温度和环境应力引起的任何误差。感测元件通过使用玻璃熔块将第二硅盖晶片接合到器件而不是使用密封封装来密封在晶片级上，并且这有助于减小器件的整体尺寸。

　　Kionix的kxcj9硅加速度计图

　　图2：kxcj9 Kionix的硅加速度计安装在密封腔内产生的晶圆级键合晶片从二。

　　一个单独的信号处理ASIC封装与感测元件进一步降低传感器的整体尺寸，导致在一个3 x 3 x 0.9毫米LGA塑料包装从1.8–3.6 VDC电源。电压调节器用于在输入电源电压范围内保持恒定的内部工作电压。这提供了在输入电源电压范围内稳定的工作特性，以消除电源变化引起的任何误差，并且消除了对外部功率调节的需要，进一步减小了设计的总体尺寸。

　　压力传感

　　从意法半导体lps25h是一种超小型绝对压力传感器使用一个专用的过程开发的圣这由悬浮膜的单体硅衬底内建单片压敏电阻元件，创建一个元素，明显小于传统的硅膜的建立。通过固有的机械塞子防止膜破裂。这提供了260至1260兆帕的范围，用于测量从体育手表到气象站的绝对压力。

　　从意法半导体的lps25h图

　　图3：在一个10引脚的lps25h腔孔LGA封装是可用的(hclga)措施2.5 x 2.5 x 1毫米，孔允许外部压力达到压电传感元件。

　　该接口使用标准CMOS工艺制造，其允许高集成度设计专用电路，该专用电路被修整以更好地匹配传感元件特性。完整的测量链是由一个低噪声放大器，将电阻不平衡的MEMS传感器(压力和温度)转换成模拟电压通过一个嵌入式24位模数转换器(ADC)提供给用户的输出数据速率(ODR)，可选择从1赫兹到25赫兹与一个镜头的选择。在一个10引脚的lps25h腔孔LGA封装是可用的(hclga)措施2.5 x 2.5 x 1毫米，孔允许外部压力达到传感元件。使用压电元件使它能在30°C到105°C的温度范围内工作。

　　结合传感器

　　从微机械加速度计的多个轴组合数据通常用于提醒主处理器该设备即将被**，但是这种方法也越来越成为支持手势接口的用户接口的一部分。使用数据的组合允许系统设计人员进一步小型化设备，通过消除键盘、按钮和其他界面技术。

　　飞思卡尔半导体MMA8451Q是体硅微机械轴，在一个3 x 3 x 1毫米QFN封装，使用所有三个轴提供所需数据的14位分辨率的电容式加速度传感器。运动检测功能可以分析静态加速度变化更快的颠簸。例如，为了检测对象正在旋转，所有三个轴将被启用，阈值检测超过2 g。当加速度超过设定阈值时，无论是作为快速抖动还是缓慢倾斜，取决于为事件配置的阈值和定时值，可以触发运动中断。

　　这种情况需要发生至少100毫秒，以确保事件不仅仅是噪声。时间价值是由一个可配置的取反，它就像一个过滤器来判断是否为一个可配置的设置时间的条件存在(即100毫秒或更长)。在源寄存器中也有可用的方向数据来检测运动的方向。这对于诸如方向抖动或轻弹之类的应用是有用的，这有助于各种手势检测的算法。

　　既有对低通滤波数据的访问，也有高通滤波的数据，这使颠簸检测和更快的转换所需的数据分析最小化。加速度数据通过高通滤波器，消除偏移(DC)和低频。高通滤波器的截止频率可以由用户设置四个不同的频率取决于ODR。较高的截止频率确保DC数据或较慢的移动数据将被过滤掉，只允许更高的频率通过。嵌入式瞬态检测函数使用高通滤波后的数据允许用户设定的阈值和取反。瞬态检测特征可以通过绕过高通滤波器以与运动检测相同的方式使用，这提供了更大的灵活性来涵盖加速度计可用于各种客户设计的不同方式。

　　许多应用程序使用加速度计的静态加速度读数来测量设备的倾斜，通过测量加速度的变化纯粹来自重力。这得益于加速度数据被低通滤波器滤波，其中高频数据被认为是噪声。然而，加速度计必须分析动态加速度的许多功能。接口功能，如TAP，FLIKE，抖动和步数计数是基于对加速度的变化的分析，并且更简单的是使用静态加速度分量后的动态加速度数据来解释这些函数。

　　MMA8451Q嵌入式单/双定向自来水检测几个自定义定时器，用于设置脉冲宽度和脉冲之间的延迟时间支持。对于所有三个轴都有可编程阈值，并且抽头检测可以被配置为通过高通滤波器并且通过低通滤波器来运行，提供更多定制和可调抽头检测方案。状态寄存器在检测到事件的轴和抽头的方向上提供更新。

　　结论

　　不同的微机械加工技术给设计师不同的优化选项的小型化系统。这些范围包括将信号处理集成以减少传感器的总占用面积以组合多个数据流，以消除系统中其他较大的设备作为减小系统整体尺寸的另一种方式。然而，底层传感器技术的选择可以限制设备的整体范围和性能，因此需要在小型化的同时仔细考虑。