小型化MEMS傳感器技術(shù)的簡述

微加工已經(jīng)成為一項關(guān)鍵技術(shù)傳感器的小型化。能夠通過使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，減少傳感元件的尺寸允許顯著減小尺寸。積分信號處理沿著感測元件進(jìn)一步增強了機會，以減少系統(tǒng)的大小，省去了額外的引腳鏈接到外部設(shè)備。的微加工工藝技術(shù)的選擇還可以確定小型化的限制，但是這通常由傳感器類型確定。用于壓力傳感壓電微機械元件具有以下比例比從CMOS硅建造基片，例如表面上的隔膜的機會，但可以提供更高的性能。

圖1：表面微機械加工傳感元件。傳感器還從標(biāo)定降低靈敏度和性能問題的影響，盡管這可以通過要素結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計來緩解。這種創(chuàng)新的設(shè)計也可用于多個元件集成到一個單一的傳感器。這是最明顯的出現(xiàn)在6軸加速度計，其中精心設(shè)計的元素可以提供移動數(shù)據(jù)以及多個軸。這也有助于小型化系統(tǒng)，一臺設(shè)備替代多個傳感器。然而，這一舉動集成化和小型化是有代價的，通常在噪聲和動態(tài)范圍。例如，添加濾波和信號處理，以確定不同的作用力的復(fù)合感測元件上，并過濾出從不同的元素的噪聲可導(dǎo)致一個較慢的響應(yīng)時間和限制整個動態(tài)范圍。雖然這可能是可以接受的小的，空間受限的應(yīng)用，例如可佩戴電子，它可能不適合于小型，無人駕駛飛行器（UAV），其具有相似的空間的限制，但更高的精度要求。

等離子處理

的Kionix公司KXCJ9是3軸硅與一系列+/- 2克，±4克或±8克微機械加速度計。檢測元件采用Kionix公司專有的等離子微加工工藝技術(shù)構(gòu)建。加速度傳感是基于來自感測元件，其采用共同模式解除從傳感元件的設(shè)計，以減少這種情況發(fā)生，從工藝變化，溫度的任何錯誤的加速度引起的運動而產(chǎn)生的差分電容的原理，和環(huán)境壓力。感測元件被氣密密封在由使用玻璃料使用密閉封裝的第二硅晶片蓋接合到所述裝置中，而不是在晶片級，這有助于減小裝置的整體尺寸。

圖2：Kionix公司KXCJ9硅加速度計容納于在從第二貼合晶片在晶片級別創(chuàng)建一個密閉的腔。一個單獨的信號處理ASIC上安裝有傳感元件，以進(jìn)一步降低傳感器的整體尺寸，產(chǎn)生了3×3×0.9毫米的LGA塑料封裝從1.8操作 - 3.6伏直流電源。穩(wěn)壓器用于保持對輸入電源電壓范圍內(nèi)恒定的內(nèi)部工作電壓。這樣，可以通過輸入電源電壓的范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作特性，以從供給變異去除任何錯誤，并消除了對外部電源調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低了設(shè)計的整體尺寸。

壓力傳感

意法半導(dǎo)體的LPS25H是使用內(nèi)置由意法半導(dǎo)體開發(fā)專用的進(jìn)程中單片壓電電阻元件的超緊湊型絕對壓力傳感器。這是由一個單一的單晶硅基板內(nèi)懸掛膜，創(chuàng)造出比傳統(tǒng)方式建造的硅微膜顯著更小的元素。破膜防止由內(nèi)部機械止動件。這提供了范圍260?1260百帕，用于測量絕對壓力，可應(yīng)用于運動手表氣象站。

圖3：LPS25H可在一個10針腔洞穿LGA封裝（HCLGA），其測量為2.5×2.5×1毫米，并躲藏允許外部壓力到達(dá)壓電傳感元件。該接口使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，允許高度集成的設(shè)計被修整，以更好地匹配感測元件特性的專用電路。制造。整個測量鏈?zhǔn)怯梢粋€低噪聲放大器，其中，所述MEMS傳感器（壓力，溫度）的電阻不平衡轉(zhuǎn)換為模擬電壓，向用戶提供通過嵌入24位模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（組成ADC），帶有一個輸出數(shù)據(jù)速率（ODR），它是可選擇的從1赫茲到25赫茲，單觸發(fā)選項。所述LPS25H可在一個10針腔洞穿LGA封裝（HCLGA），其測量為2.5×2.5×1毫米，并躲藏允許外部壓力到達(dá)傳感元件。使用壓電元件允許它的溫度范圍從-30℃至+ 105℃上操作。

組合傳感器

從微機械加速度計的多個軸組合數(shù)據(jù)經(jīng)常用來提醒主處理器，該裝置將要被激活的，但這種方法也是用戶界面支持手勢接口的日益一部分。使用數(shù)據(jù)的結(jié)合，使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠通過消除鍵盤，按鈕等接口技術(shù)的進(jìn)一步小型化的設(shè)備。飛思卡爾MMA8451Q的是體微機械加工三軸，電容式加速度傳感器在使用所有三個軸，以提供所需要的數(shù)據(jù)一個3×3×1毫米QFN封裝，14位分辨率。運動檢測功能可以分析靜態(tài)加速度的變化或更快的顛簸。例如，要檢測的對象是紡紗，所有三個軸將與一個閾值檢測超過2克啟用。當(dāng)加速度超過設(shè)定閾值時，無論是作為一個快速抖動或慢速傾斜，運動可以觸發(fā)中斷，這取決于配置的事件的閾值和定時值。這種條件將需要發(fā)生了至少100毫秒，以確保該事件不只是噪聲。的定時值是通過一個可配置的去抖動計數(shù)器，它的作用就像一個過濾器，以確定條件是否存在一組可配置的時間（即，100毫秒或更長）來設(shè)置。也有在源寄存器以檢測運動的方向提供方向數(shù)據(jù)。這對于應(yīng)用如定向搖動或輕彈，這有助于與算法關(guān)于各種手勢檢測是有用的。就有機會獲得這兩個低通濾波數(shù)據(jù)以及高通濾波后的數(shù)據(jù)，最大限度地減少所需的顛簸檢測和更快的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分析。加速度數(shù)據(jù)通過高通濾波器，省去了偏移（DC）和低頻率。高通濾波器的截止頻率可以由用戶到其中四個取決于ODR不同的頻率來設(shè)置。較高的截止頻率保證了DC數(shù)據(jù)或更慢的移動數(shù)據(jù)將被過濾掉，只允許更高的頻率通過。嵌入式瞬態(tài)檢測功能，采用了高通濾波后的數(shù)據(jù)允許用戶設(shè)置閾值和去抖計數(shù)器。瞬態(tài)檢測功能所用的相同的方式運動檢測通過繞過高通濾波器使用，這提供了更大的靈活性，以覆蓋不同的方式，加速度計可以以各種客戶設(shè)計中使用。許多應(yīng)用程序使用的加速度計的靜態(tài)加速度讀數(shù)通過從重力測量加速度變化純粹以測量設(shè)備的傾斜。這得益于加速度數(shù)據(jù)被濾波以其中高頻數(shù)據(jù)被認(rèn)為是噪聲的低通濾波器。然而，也有很多，其中，加速度計必須分析動態(tài)加速度的功能。接口功能，如自來水，輕彈，搖晃和步數(shù)的計數(shù)的基礎(chǔ)上在所述加速度變化的分析，這是更簡單的使用動態(tài)加速度數(shù)據(jù)的靜態(tài)成分已被除去后解釋這些功能。該MMA8451Q已經(jīng)嵌入了用于設(shè)置脈沖時間寬度和脈沖之間的時間延遲多種可自定義定時器支持單/雙和定向自來水檢測。有對所有三個軸可編程閾值和抽頭檢測可配置為通過高通濾波器，也運行通過一個低通濾波器，提供更多的定制和可調(diào)諧抽頭檢測方案。狀態(tài)寄存器提供有關(guān)檢測到的事件，其中所述軸和所述抽頭的方向更新。

結(jié)論

不同的微加工技術(shù)，給設(shè)計師一個小型化系統(tǒng)不同的優(yōu)化選項。這些范圍從積分信號處理，以減少組合多個數(shù)據(jù)流的傳感器的整體尺寸，以消除系統(tǒng)中的其它，更大的設(shè)備的另一種方式，以減少系統(tǒng)的整體大小。然而，底層傳感器技術(shù)的選擇可以限制的總體范圍和設(shè)備的性能，因此需要仔細(xì)考慮沿著移動到小型化。