飛思卡爾半導(dǎo)體


加速傳感器工作原理及架構(gòu)
飛思卡爾傳感器產(chǎn)品主要分為三大部分：慣性傳感器、壓力傳感器與安全和報(bào)警IC。其中，慣性傳感器即為加速傳感器，可以用于偵測(cè)傾斜、振動(dòng)及撞擊，因此可以用在汽車乘客安全、振動(dòng)監(jiān)控、 運(yùn)動(dòng)診斷、 防盜裝置、 電器平衡、 地震檢測(cè)、 傾角/傾斜儀及便攜式電子設(shè)備中。
加速傳感器可用來(lái)偵測(cè)X、Y、Z軸方向的加速度，以類比電壓來(lái)表示所偵測(cè)的加速度的大小，在IC內(nèi)部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力感測(cè)單元（負(fù)責(zé)加速度的偵測(cè)）與控制IC單元（負(fù)責(zé)信號(hào)處理）。雙芯片可以分開安置也可以疊放處理。

由圖1可知，X軸或Z軸的重力檢測(cè)單元將檢測(cè)到的加速度變化量信號(hào)送到電荷積分器做積分運(yùn)算，而后進(jìn)行取樣、保持及信號(hào)放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補(bǔ)償處理后即可輸出加速度信息。此輸出之類比電壓與偵測(cè)的加速度值會(huì)維持線性比例的特性，不會(huì)受到溫度的影響。

圖1 加速傳感器簡(jiǎn)化的功能區(qū)塊框圖(略)

為了說(shuō)明X軸向g感測(cè)單元的感測(cè)原理，先來(lái)回顧電容的物理特性：電容值的大小與電極板的面積大小成正比，和電極板的間隔距離成反比。g感測(cè)單元即利用電容的原理設(shè)計(jì)出來(lái)的，在圖2中左上角的小區(qū)塊可以看到，藍(lán)色的部分代表可移動(dòng)的電極板，而在藍(lán)色電極板的上方左偏置與下方右偏置板塊則是固定的電極板，此時(shí)藍(lán)色電極板與左右偏置板形成兩個(gè)電容，當(dāng)藍(lán)色電極板因加速度的影響而改變與左右偏置板的間隔，則使得電容值改變進(jìn)而促使電容電壓值的改變，因此可借此特性計(jì)算出加速度的大小。

圖2 X軸向g單元結(jié)構(gòu)示意(略)

Z 軸向垂直g感測(cè)單元的感測(cè)原理與X軸向g感測(cè)單元的感測(cè)原理相同，只是架構(gòu)有所差異。如圖3所示，紅色的震動(dòng)塊代表可移動(dòng)的電極板，而綠色的頂板與藍(lán)色的底板則是固定的極板。當(dāng)紅色的極板因?yàn)榧铀俣鹊挠绊懚淖兣c上下極板的間隔，則將產(chǎn)生電容值的改變。因此，可借此特性計(jì)算出此加速度的大小。圖3中黑色的部分為彈簧裝置，用來(lái)緩沖可移動(dòng)電極板的移動(dòng)。

圖3 Z 軸向垂直g單元(略)

圖4為4 X軸向g單元的SEM照片，顯示了g感測(cè)單元的架構(gòu)，可移動(dòng)極板在兩個(gè)固定極板間左右移動(dòng)，由可移動(dòng)極板與固定極板組成的指狀結(jié)構(gòu)是顯而易見的。

圖4 X軸向g單元SEM照片(略)

圖5顯示了Z軸向g感測(cè)單元的架構(gòu)，左圖中，紅色的區(qū)塊為固定極板，而綠色區(qū)塊則代表可移動(dòng)中板，可移動(dòng)中板是在兩個(gè)固定極板間上下移動(dòng)。這與X軸向g單元的指狀結(jié)構(gòu)是截然不同的。

圖5 Z軸向G單元照片(略)


加速傳感器的6種感應(yīng)功能

1）傾斜度偵測(cè)

傾斜度偵測(cè)電子羅盤，傾斜儀，文本滾動(dòng)瀏覽/用戶界面，圖像旋轉(zhuǎn)，LCD投影，物理治療法。

加速傳感器在靜止時(shí)，可用來(lái)檢測(cè)傾斜角，傾斜角在 90 ~+90 之間變化時(shí)，加速傳感器輸出會(huì)在 1.0g~+1.0g之間變化。輸出電壓對(duì)應(yīng)傾斜角的公式如下示：

公式(略)

其中：

VOUT=加速傳感器的輸出
Voff =零加速度
V/ G=靈敏度
1.0G=地球重力
=傾斜角

在測(cè)量?jī)A斜角度時(shí)，需考慮傾斜角解析度與AD轉(zhuǎn)換器搭配的問(wèn)題，在安裝加速傳感器時(shí)需要確保反映軸與地面垂直。

圖6 MMA7260Q應(yīng)用電路示意(略)

圖7給出了MMA1260D 1.5g 加速傳感器的典型角度響應(yīng)，縱軸代表加速傳感器的輸出電壓，橫軸代表傾斜角度，從線型可知，在0度范圍，傾斜角與電壓呈線性變化。而在 90度范圍，傾斜角與電壓則呈現(xiàn)飽和情況。

圖7 MMA1260D 1.5g 加速傳感器的典型角度響應(yīng)(略)

2）運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可用于運(yùn)動(dòng)控制，計(jì)步器，基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。
在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，需要考慮到幾個(gè)因素，包括：如何計(jì)算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測(cè)軸。首先確定位移：計(jì)算位移要將加速度進(jìn)行二重積分，速度部分則是需進(jìn)行一次積分。根據(jù)對(duì)象的不同，g值的范圍在2~20g之間變化。

圖8 給出了跳躍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓輸出變化示意，由圖中可知，當(dāng)跳躍至最高點(diǎn)時(shí)處于無(wú)重力的狀態(tài)，當(dāng)落至地面時(shí)加速度出現(xiàn)近似脈沖的波形，由曲線的變化即可判斷具體的運(yùn)動(dòng)情況。

3）定位偵測(cè)

定位偵測(cè)可用于汽車導(dǎo)航，防盜設(shè)備，地圖跟蹤。
定位偵測(cè)需要考慮的因素包括：加速度的范圍是多少及加速傳感器如何安裝。對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行二重積分即可得到位置數(shù)據(jù)。此外，由于加速度數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，所以需要進(jìn)行近似積分。如下所示：
在進(jìn)行定位計(jì)算時(shí)，必須假設(shè)初始位置和速度為零，這樣對(duì)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的等式進(jìn)行積分，就是將每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)位置和速度的增量分別與前一個(gè)值相加即可代表積分的運(yùn)算。

4）震動(dòng)偵測(cè)

震動(dòng)偵測(cè)可用于下降記錄，黑盒子/故障記錄儀，HDD保護(hù)，運(yùn)輸和處理監(jiān)視器。

震動(dòng)偵測(cè)只需考慮的因素是選擇g值的范圍。一般按照被測(cè)量對(duì)象的減速度決定了震動(dòng)檢測(cè)所需的加速傳感器的規(guī)則選取。當(dāng)然，算法將隨每種設(shè)計(jì)的不同而不同，一般設(shè)為高于某個(gè)臨界值。通常情況下，重力的變化范圍為：自由落體檢測(cè)為 1.5g而汽車撞擊為 250g。

5）振動(dòng)偵測(cè)

振動(dòng)偵測(cè)可用于地震活動(dòng)監(jiān)視器，智能電機(jī)維護(hù)，家電平衡和監(jiān)測(cè)。
振動(dòng)偵測(cè)需要考慮的因素包括：分析振動(dòng)頻率的多少，確定g值的范圍及最適當(dāng)?shù)募铀賯鞲衅靼惭b位置。借助于快速傅立葉變換對(duì)加速度資料的分析可得到振動(dòng)頻率的情況，快速傅立葉變換允許振動(dòng)信號(hào)被分解成它的諧波分量，而每個(gè)電機(jī)振動(dòng)都有它自己的諧波分量信號(hào)。通常，根據(jù)振動(dòng)的電機(jī)或?qū)ο蟮牟煌?，重力的變化范圍?~ 20g。當(dāng)加速傳感器安裝的離振源越近時(shí)，G的范圍就會(huì)越大。

6）自由落下偵測(cè)

自由落下偵測(cè)可用于自由落體保護(hù)，下降記錄，下降檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)控制和認(rèn)知等。

自由落下偵測(cè)可分為三種，分別為：線性落下、旋轉(zhuǎn)型落下和拋射落下。它需靠量的因素包括：g的范圍一般落在 1g間；由于拋射型落下，因此需考量橫軸加速度的多寡及自由落下時(shí)要求檢測(cè)的高度。

在完整的自由落體中，線性自由落體需要一個(gè)3軸加速計(jì)來(lái)完成檢測(cè)。而旋轉(zhuǎn)和拋射自由落體需要一個(gè)復(fù)雜的算法來(lái)監(jiān)控自由落體信號(hào)。


MMA7260Q及其特性

新型MMA7260Q是XYZ低g加速傳感器，其特性包括：

單封裝3軸感應(yīng)

低壓操作：2.2~3.6V

電流消耗低（典型值：500 A ）

休眠模式下電流消耗低(3 A)

模擬輸出

350Hz 帶寬

g選擇：1.5g, 2g, 4g, 和 6g

快速的上電響應(yīng)時(shí)間（1ms）

QFN-16 封裝(6mm x 6 mmx 1.45mm)

無(wú)鉛材料和綠色材料

20~+85℃的工作溫度

MMA7260Q具有低功耗特

性，它包含一個(gè)休眠模式管腳。在休眠模式下， MMA7260Q的最大電流僅為3 A；在普通模式下， MMA7260Q的最大電流為500 A 。由于電池消耗低，壽命延長(zhǎng)，故而使其成為小型電池供電便攜式設(shè)備的理想之選。
此外，MMA7260Q 具有快速啟動(dòng)性能。它的休眠模式的喚醒時(shí)間很快，僅為0.5ms。通過(guò)將有源低電平休眠模式管腳設(shè)為高電平(Vdd) ，即可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，將X，Y，和Z的輸出從Vss狀態(tài)下恢復(fù)過(guò)來(lái)。其常規(guī)加電時(shí)間也很快，僅為1ms。

MMA7260Q應(yīng)用電路

圖6為MMA7260Q的實(shí)際應(yīng)用電路，如圖示只需將電阻增加1k ，電容增加0.1 F， 即可將開關(guān)電容濾波電路的時(shí)鐘噪聲降至最低。

MMA7260Q的g選擇

MMA7260Q的g選擇可參照表1，通常g的范圍由MCU的I/O驅(qū)動(dòng)控制，在應(yīng)用時(shí)如何確保獲得最佳的靈敏度狀態(tài)，則可以設(shè)定如果當(dāng)MCU在讀取感測(cè)器的時(shí)候，出現(xiàn)滿格的狀況并持續(xù)一段時(shí)間，則MCU必須設(shè)定更大的g值范圍來(lái)確定是否輸出還會(huì)飽和。在不同的應(yīng)用時(shí)，也可以透過(guò)設(shè)定不同的g值范圍來(lái)獲得最佳的靈敏度狀態(tài)。

表1：MMA726Q的g選擇(略)

基于以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于g值的選擇，有以下四個(gè)實(shí)際建議：1.5g 適合自由落體或精確的傾斜補(bǔ)償應(yīng)用；2g適合手持式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或游戲控制器；4g適合于低振動(dòng)監(jiān)控、運(yùn)輸和處理而6g適合高振動(dòng)監(jiān)控與較高的震動(dòng)讀取。


加速傳感器應(yīng)用

加速傳感器可用作汽車翻車事故、拖車制動(dòng)器控制、智能電機(jī)、 PDA滾動(dòng)、LCD投影儀防震、鏡頭保護(hù)、HDD保護(hù)與圖像穩(wěn)定性等各個(gè)方面。

在馬達(dá)控制器應(yīng)用中，通過(guò)加速傳感器可以將震動(dòng)量變化為數(shù)據(jù)，借此數(shù)據(jù)可判斷出震動(dòng)量的大小，可用作預(yù)防性維修、檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)、檢測(cè)電機(jī)故障并節(jié)省成本。

在HDD保護(hù)應(yīng)用中，自由落下偵測(cè)是最近出現(xiàn)在消費(fèi)性電子產(chǎn)品的一個(gè)新的應(yīng)用，利用此項(xiàng)功能可以保護(hù)HDD的資料安全。在HDD自由落下撞擊地面之前，從加速傳感器所得的資料分析出相應(yīng)的危機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)可立即令HDD讀寫頭做出反應(yīng)，以防止撞擊時(shí)讀寫頭將HDD資料刮壞。同樣適用于音樂播放器、電話、PDA和其他便攜式電子設(shè)備，包含下降記錄偵測(cè)與3軸向檢測(cè)功能。


問(wèn)答選編

問(wèn)：對(duì)于加速度不穩(wěn)定的測(cè)量，會(huì)不會(huì)根據(jù)g值變化自 動(dòng)調(diào)節(jié)？還是需要MCU調(diào)節(jié)？

答：需要用MCU根據(jù)不同的g水平來(lái)調(diào)節(jié)g值選擇管角。

問(wèn)：該加速傳感器支持三維感應(yīng)嗎 ？

答：MMA7260Q可以用當(dāng)單個(gè)芯片支持三維加速度探測(cè)。

問(wèn)：加速計(jì)傳感器如何在MP3設(shè)計(jì)方案中添加，通過(guò)什 么總線控制？

答：如有AD接口，可經(jīng)RC filter直接連接。如沒有，可 在中間增加MCU或ADC，通過(guò)SPI或IIC控制。加 MCU的優(yōu)點(diǎn)是在MP3關(guān)機(jī)的時(shí)候，可加一些增值 功能(如計(jì)步器或防盜)。

問(wèn)：汽車側(cè)向加速度的測(cè)量能采用什么類型的加速度 傳感器？

答：可用X-Y軸傳感器。

問(wèn)：用加速度傳感器數(shù)據(jù)兩次積分求位移，這種方法是 否能在實(shí)際工程當(dāng)中使用？

答：要考慮地心引力的影響，可用Numerical Method的 方法計(jì)算，位移一般不會(huì)很準(zhǔn)確。

問(wèn)：芯片除RS232外，還提供哪些外部接口?

答：芯片沒有RS232接口，只有模擬輸出。

問(wèn)：采用MMA7260Q能否作為一般的震動(dòng)檢測(cè)？

答：可以。

問(wèn)：貴公司是否會(huì)在近期內(nèi)提供高重力加速度傳感器 （40g以上），以支持汽車碰撞檢測(cè)？

答：飛思卡爾提供g值從1.5～250g的廣泛的加速度 傳感器。目前已經(jīng)量產(chǎn)了40g以上的產(chǎn)品用于汽 車碰撞（氣囊應(yīng)用）探測(cè)。

問(wèn)：目前市場(chǎng)上有多種類型的加速度傳感器，有的基于 壓電晶體，有的基于電容、電阻應(yīng)變片等。請(qǐng)問(wèn)芯 片化的加速度傳感器與這些傳統(tǒng)的加速傳感器相 比，有什么樣的特點(diǎn)和不足？

答：芯片化的傳感器相對(duì)來(lái)說(shuō)功耗較低，采用數(shù)字方式 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可靠性高，占用的電路板空間較少， 但是價(jià)格要比機(jī)械式傳感器要高。

問(wèn)： MMA7260Q 的內(nèi)部加速度采樣速率是多少？什么 樣的A/D采樣率和什么樣的電源開關(guān)頻率才能不 影響加速度計(jì)的采樣？

答：MMA7260Q是11kHz，頻率在400Hz時(shí)會(huì)影響加速度 的采樣。

問(wèn)：加速度傳感器能否同時(shí)提供x、y、z三個(gè)方向上的加 速度信號(hào)？

答：可以用三軸加速度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

問(wèn)：硬盤內(nèi)置加速器傳感器來(lái)保護(hù)硬盤是怎么回事？

答：當(dāng)硬盤不慎掉落時(shí)，加速器傳感器會(huì)偵查到，將硬 盤的指針回到原位，以避免指針刮傷到硬盤的磁道。

問(wèn)：在用7260Q時(shí)，如何選擇g，就是說(shuō)怎么知道我所應(yīng) 用的g的范圍，比如震動(dòng)過(guò)程，g的大小如何確定的？

答：要看看最大加速度的數(shù)值，7260的好處是可變換這 個(gè)值。所以，當(dāng)AD的值過(guò)大時(shí)，變換更大的最大 加速度值；相反，當(dāng)AD值小時(shí)，變換更小值的加速 度值，從而得到更敏感的加速度。

問(wèn)：用MMA6260開發(fā)電腦鼠標(biāo)需要注意哪些問(wèn)題？

答：要注意地心引力，在沒有加速的情形下不能測(cè)知的。

問(wèn)：三軸加速度傳感器是否X，Y和Z三軸都有輸出？ 此時(shí)MCU如何判斷?

答：是，要有三個(gè)AD囗來(lái)區(qū)分三軸。

問(wèn)：freescale的加速度傳感器有頻率下限嗎？

答：沒有頻率下限。

問(wèn)：一般來(lái)說(shuō)，加速度傳感器對(duì)電源的波紋要求高嗎?

答：有要求，電源必須干凈。

問(wèn)：需要溫度補(bǔ)償處理嗎？需要用戶自己做嗎？

答：IC內(nèi)部有溫度補(bǔ)償處理，不需用戶處理。

問(wèn)：飛思卡爾的傳感器主要涉及哪些領(lǐng)域，傳感器開發(fā) 的前景怎么樣，發(fā)展方向是什么?

答：主要有壓力傳感，慣性傳感及安全偵察 IC，傳感器 已漸漸普及到一般消費(fèi)性產(chǎn)品的應(yīng)用， 尤其是手 持式產(chǎn)品，在這一領(lǐng)域?qū)?huì)有很高的年復(fù)合成長(zhǎng)率。

問(wèn)：加速度傳感器和陀螺儀是不是一種產(chǎn)品?

答：功能上兩者相似，但加速計(jì)傳感對(duì)非旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)有 較佳的偵測(cè)， 陀螺儀則對(duì)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)偵測(cè)， 有較好 的反應(yīng)。