無錫2016年5月24日電 /美通社/ -- 位于美國馬薩諸塞州安多弗的美新公司近日發(fā)布白皮書，揭示其產(chǎn)品美新MEMS傳感器具有降低震動(dòng)，減小沖擊，實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更高可靠性的解決方案，為高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境下提供可靠性和高精度的測量結(jié)果。此外，美新是全球僅有的同時(shí)具備 MEMS 傳感器和傳感系統(tǒng)集成技術(shù)的公司。
設(shè)計(jì)工程師在開發(fā)重型裝備的過程中通常需要在不同種類的加速度計(jì)中做出選擇。例如，在起重機(jī)，拖拉機(jī)，木材切割機(jī)以及建筑工程等重型機(jī)械中，設(shè)計(jì)者需要通過使用加速度傳感器來測量設(shè)備工作時(shí)的俯仰和翻滾角。
MEMS熱對流傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
在多數(shù)應(yīng)用中，設(shè)備設(shè)計(jì)者通常會(huì)在電容式和熱式MEMS加速度傳感器之間選擇一種。他們通常會(huì)根據(jù)傳感器的主要特性，比如結(jié)構(gòu)，共振頻率，可靠性，穩(wěn)定性，帶寬，功耗以及成本來作出選擇。而且，他們更加需要了解的是，兩種類型在在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境下測量傾角的各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
加速度傳感器可以直接測量重力加速度的三個(gè)分量，傾斜角可以通過對重力加速度的三個(gè)分量進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算而得到。一個(gè)雙軸加速度傳感器可以通過測量傾斜的正弦角度來確定當(dāng)前的俯仰和翻滾角度。理論上可測量的角度范圍是0 +/- < 90 度 。由于正弦函數(shù)的變化率在接近90度的范圍逐漸趨小，所以只能0 +/- ~ 70 度的范圍內(nèi)可以提供較高的精度。然而一顆雙軸加速度傳感器可以測量俯仰角或翻轉(zhuǎn)角的范圍可以達(dá)到0 +/-180度。利用一顆三軸或者兩顆雙軸加速度傳感器可以在全量程范圍內(nèi)測量俯仰角(0 +/-90度)和翻滾角(0 +/-180度)。由于三軸加速度傳感器的Z軸性能比XY軸略低，因此大多數(shù)應(yīng)用還是會(huì)使用兩顆雙軸加速度傳感器。
一顆基于懸臂的三軸電容式MEMS加速度傳感器通過測量作用在質(zhì)量塊上的力來計(jì)算加速度。在加速度的作用下，質(zhì)量塊與固定電極之間的間距發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致他們之間的電容發(fā)生變化。由于電容的變化率與加速度的大小成比例關(guān)系。因此，加速度可以通過電容的計(jì)算變化量而確定。
典型的雙軸熱式MEMS加速度傳感器基于單芯片集成技術(shù)。傳感器和控制電路的芯片被集成在一個(gè)氣密性封裝中。傳感器包含一個(gè)通過硅刻蝕生成的空腔以及一組置于空腔中加熱器和溫度測量單元。與電容式器件不同，熱式傳感器通過監(jiān)測封裝腔體內(nèi)的被加熱器團(tuán)的移動(dòng)來測量加速度。在沒有加速度的情況下，熱氣團(tuán)會(huì)在加熱器的上方成對稱分布。在加速度的作用下，熱氣團(tuán)會(huì)沿著加速度的方向移動(dòng)。由于器件不包含可被彎曲或者可位移的結(jié)構(gòu)，因此可以提供非常高的器件可靠性。
兩種技術(shù)最大的區(qū)別在于其不同的傳感技術(shù)。電容式MEMS加速度傳感器使用可位移的懸臂的結(jié)構(gòu)。對于用于傾角測量的低加速度器件，其懸臂結(jié)構(gòu)的固有帶寬通常大于5kHz，諧振頻率在2kHz左右。當(dāng)震動(dòng)的能量過大或者震動(dòng)的頻率接近其懸臂結(jié)構(gòu)諧振頻率，電容式加速度傳感器的輸出信號可能會(huì)出現(xiàn)失真或者共振。在大多數(shù)情況下，失真或者共振信號會(huì)導(dǎo)致巨大的零點(diǎn)漂移(特別是Z軸)，使得傳感器無法在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境中正確的還原真實(shí)的信號。在高強(qiáng)度震動(dòng)環(huán)境中的零點(diǎn)漂移是電容式加速度傳感器的一個(gè)固有的缺點(diǎn)，通常需要額外的技術(shù)將震動(dòng)的影響隔離或者減輕。
目前市場上有一些類似的技術(shù)，但是在一些特殊的環(huán)境中，震動(dòng)依舊會(huì)太大，以至于無法被降低到滿足電容式加速度傳感器的需要的水平。一種方案通過由橡膠軸套，彈簧或者阻尼裝置組成的懸掛裝置將震動(dòng)與加速度傳感器隔離。 另一種方案是使用強(qiáng)度，諧振頻率更高的懸臂結(jié)構(gòu)，使其能夠承受更高的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。但是這種方案會(huì)導(dǎo)致成本,設(shè)計(jì)時(shí)間增加, 性能上也會(huì)有妥協(xié)。即使震動(dòng)能量能夠被降低到電容式MEMS加速度傳感器能夠正常工作的水平，信號失真仍然是一個(gè)不可避免的問題。電容式傳感器較寬的頻率響應(yīng)特性會(huì)使其輸出容易受到高頻震動(dòng)的影響。通常需要通過超采樣技術(shù)和更多的處理器能力來濾除外頻能量和避免信號失真。機(jī)械沖擊帶來的動(dòng)能同樣能夠引起電容式MEMS加速度傳感器的信號失真和共振。 機(jī)械沖擊通常類似于一個(gè)脈沖，具有強(qiáng)度大和時(shí)間短的特點(diǎn)。如果將這個(gè)脈沖從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，可以發(fā)現(xiàn)他是由很多不同頻率、不同振幅的震動(dòng)所組成。如果其中某個(gè)震動(dòng)頻率接近于傳感器的諧振頻率，就會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生共振，無法進(jìn)行精確的測量。當(dāng)機(jī)械沖擊足夠大，使得可移動(dòng)和固定電極相接觸，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生粘結(jié)失效。在極端情況下，甚至可能發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷。