簡述小型化MEMS傳感器技術
發布時間:2018-02-07 責任編輯:lina
【導讀】微加工已經成為一項關鍵技術傳感器dexiaoxinghua。nenggoutongguoshiyongbiaozhundebandaotizhizaojishu,jianshaochuanganyuanjiandechicunyunxuxianzhejianxiaochicun。jifenxinhaochuliyanzheganceyuanjianjinyibuzengqianglejihui,yijianshaoxitongdedaxiao,shengquleewaideyinjiaolianjiedaowaibushebei。

微加工工藝技術的選擇還可以確定小型化的限製,但是這通常由傳感器類型確定。用於壓力傳感壓電微機械元件具有以下比例比從CMOS矽建造基片,例如表麵上的隔膜的機會,但可以提供更高的性能。

圖1:表(biao)麵(mian)微(wei)機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)。傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)從(cong)標(biao)定(ding)降(jiang)低(di)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)性(xing)能(neng)問(wen)題(ti)的(de)影(ying)響(xiang),盡(jin)管(guan)這(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)要(yao)素(su)結(jie)構(gou)的(de)創(chuang)新(xin)設(she)計(ji)來(lai)緩(huan)解(jie)。這(zhe)種(zhong)創(chuang)新(xin)的(de)設(she)計(ji)也(ye)可(ke)用(yong)於(yu)多(duo)個(ge)元(yuan)件(jian)集(ji)成(cheng)到(dao)一(yi)個(ge)單(dan)一(yi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)是(shi)最(zui)明(ming)顯(xian)的(de)出(chu)現(xian)在(zai)6軸(zhou)加(jia)速(su)度(du)計(ji),其(qi)中(zhong)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)的(de)元(yuan)素(su)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)移(yi)動(dong)數(shu)據(ju)以(yi)及(ji)多(duo)個(ge)軸(zhou)。這(zhe)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)小(xiao)型(xing)化(hua)係(xi)統(tong),一(yi)台(tai)設(she)備(bei)替(ti)代(dai)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)。然(ran)而(er),這(zhe)一(yi)舉(ju)動(dong)集(ji)成(cheng)化(hua)和(he)小(xiao)型(xing)化(hua)是(shi)有(you)代(dai)價(jia)的(de),通(tong)常(chang)在(zai)噪(zao)聲(sheng)和(he)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)。例(li)如(ru),添(tian)加(jia)濾(lv)波(bo)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li),以(yi)確(que)定(ding)不(bu)同(tong)的(de)作(zuo)用(yong)力(li)的(de)複(fu)合(he)感(gan)測(ce)元(yuan)件(jian)上(shang),並(bing)過(guo)濾(lv)出(chu)從(cong)不(bu)同(tong)的(de)元(yuan)素(su)的(de)噪(zao)聲(sheng)可(ke)導(dao)致(zhi)一(yi)個(ge)較(jiao)慢(man)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)和(he)限(xian)製(zhi)整(zheng)個(ge)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)。雖(sui)然(ran)這(zhe)可(ke)能(neng)是(shi)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)小(xiao)的(de),空(kong)間(jian)受(shou)限(xian)的(de)應(ying)用(yong),例(li)如(ru)可(ke)佩(pei)戴(dai)電(dian)子(zi),它(ta)可(ke)能(neng)不(bu)適(shi)合(he)於(yu)小(xiao)型(xing),無(wu)人(ren)駕(jia)駛(shi)飛(fei)行(xing)器(qi)(UAV),其具有相似的空間的限製,但更高的精度要求。
等離子處理
的Kionix公司KXCJ9是3軸矽與一係列+/- 2克,±4克或±8克微機械加速度計。檢測元件采用Kionix公gong司si專zhuan有you的de等deng離li子zi微wei加jia工gong工gong藝yi技ji術shu構gou建jian。加jia速su度du傳chuan感gan是shi基ji於yu來lai自zi感gan測ce元yuan件jian,其qi采cai用yong共gong同tong模mo式shi解jie除chu從cong傳chuan感gan元yuan件jian的de設she計ji,以yi減jian少shao這zhe種zhong情qing況kuang發fa生sheng,從cong工gong藝yi變bian化hua,溫wen度du的de任ren何he錯cuo誤wu的de加jia速su度du引yin起qi的de運yun動dong而er產chan生sheng的de差cha分fen電dian容rong的de原yuan理li,和he環huan境jing壓ya力li。感gan測ce元yuan件jian被bei氣qi密mi密mi封feng在zai由you使shi用yong玻bo璃li料liao使shi用yong密mi閉bi封feng裝zhuang的de第di二er矽gui晶jing片pian蓋gai接jie合he到dao所suo述shu裝zhuang置zhi中zhong,而er不bu是shi在zai晶jing片pian級ji,這zhe有you助zhu於yu減jian小xiao裝zhuang置zhi的de整zheng體ti尺chi寸cun。

圖2:Kionix公司KXCJ9矽加速度計容納於在從第二貼合晶片在晶片級別創建一個密閉的腔。一個單獨的信號處理ASIC上安裝有傳感元件,以進一步降低傳感器的整體尺寸,產生了3&TImes;3&TImes;0.9毫米的LGA塑料封裝從1.8操作 - 3.6伏fu直zhi流liu電dian源yuan。穩wen壓ya器qi用yong於yu保bao持chi對dui輸shu入ru電dian源yuan電dian壓ya範fan圍wei內nei恒heng定ding的de內nei部bu工gong作zuo電dian壓ya。這zhe樣yang,可ke以yi通tong過guo輸shu入ru電dian源yuan電dian壓ya的de範fan圍wei內nei穩wen定ding的de工gong作zuo特te性xing,以yi從cong供gong給gei變bian異yi去qu除chu任ren何he錯cuo誤wu,並bing消xiao除chu了le對dui外wai部bu電dian源yuan調tiao節jie,進jin一yi步bu降jiang低di了le設she計ji的de整zheng體ti尺chi寸cun。
壓力傳感
意法半導體的LPS25H是shi使shi用yong內nei置zhi由you意yi法fa半ban導dao體ti開kai發fa專zhuan用yong的de進jin程cheng中zhong單dan片pian壓ya電dian電dian阻zu元yuan件jian的de超chao緊jin湊cou型xing絕jue對dui壓ya力li傳chuan感gan器qi。這zhe是shi由you一yi個ge單dan一yi的de單dan晶jing矽gui基ji板ban內nei懸xuan掛gua膜mo,創chuang造zao出chu比bi傳chuan統tong方fang式shi建jian造zao的de矽gui微wei膜mo顯xian著zhu更geng小xiao的de元yuan素su。破po膜mo防fang止zhi由you內nei部bu機ji械xie止zhi動dong件jian。這zhe提ti供gong了le範fan圍wei260〜1260百帕,用於測量絕對壓力,可應用於運動手表氣象站。

圖3:LPS25H可在一個10針腔洞穿LGA封裝(HCLGA),其測量為2.5&TImes;2.5&TImes;1毫米,並躲藏允許外部壓力到達壓電傳感元件。該接口使用標準的CMOS工藝,允許高度集成的設計被修整,以更好地匹配感測元件特性的專用電路。製造。整個測量鏈是由一個低噪聲放大器,其中,所述MEMS傳感器(壓力,溫度)的電阻不平衡轉換為模擬電壓,向用戶提供通過嵌入24位模擬 - 數字轉換器(組成ADC),帶有一個輸出數據速率(ODR),它是可選擇的從1赫茲到25赫茲,單觸發選項。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,並躲藏允許外部壓力到達傳感元件。使用壓電元件允許它的溫度範圍從-30℃至+ 105℃上操作。
組合傳感器
從cong微wei機ji械xie加jia速su度du計ji的de多duo個ge軸zhou組zu合he數shu據ju經jing常chang用yong來lai提ti醒xing主zhu處chu理li器qi,該gai裝zhuang置zhi將jiang要yao被bei激ji活huo的de,但dan這zhe種zhong方fang法fa也ye是shi用yong戶hu界jie麵mian支zhi持chi手shou勢shi接jie口kou的de日ri益yi一yi部bu分fen。使shi用yong數shu據ju的de結jie合he,使shi係xi統tong設she計ji人ren員yuan能neng夠gou通tong過guo消xiao除chu鍵jian盤pan,按an鈕niu等deng接jie口kou技ji術shu的de進jin一yi步bu小xiao型xing化hua的de設she備bei。飛fei思si卡ka爾erMMA8451Q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,以提供所需要的數據一個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。
dangjiasuduchaoguoshedingyuzhishi,wulunshizuoweiyigekuaisudoudonghuomansuqingxie,yundongkeyichufazhongduan,zhequjueyupeizhideshijiandeyuzhihedingshizhi。zhezhongtiaojianjiangxuyaofashenglezhishao100haomiao,yiquebaogaishijianbuzhishizaosheng。dedingshizhishitongguoyigekepeizhidequdoudongjishuqi,tadezuoyongjiuxiangyigeguolvqi,yiquedingtiaojianshifoucunzaiyizukepeizhideshijian(即,100毫秒或更長)laishezhi。yeyouzaiyuanjicunqiyijianceyundongdefangxiangtigongfangxiangshuju。zheduiyuyingyongrudingxiangyaodonghuoqingdan,zheyouzhuyuyusuanfaguanyugezhongshoushijianceshiyouyongde。jiuyoujihuihuodezhelianggeditonglvboshujuyijigaotonglvbohoudeshuju,zuidaxiandudijianshaosuoxudedianbojiancehegengkuaidezhuanhuanshujufenxi。jiasudushujutongguogaotonglvboqi,shengqulepianyi(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於ODR不同的頻率來設置。較高的截止頻率保證了DC數shu據ju或huo更geng慢man的de移yi動dong數shu據ju將jiang被bei過guo濾lv掉diao,隻zhi允yun許xu更geng高gao的de頻pin率lv通tong過guo。嵌qian入ru式shi瞬shun態tai檢jian測ce功gong能neng,采cai用yong了le高gao通tong濾lv波bo後hou的de數shu據ju允yun許xu用yong戶hu設she置zhi閾yu值zhi和he去qu抖dou計ji數shu器qi。瞬shun態tai檢jian測ce功gong能neng所suo用yong的de相xiang同tong的de方fang式shi運yun動dong檢jian測ce通tong過guo繞rao過guo高gao通tong濾lv波bo器qi使shi用yong,這zhe提ti供gong了le更geng大da的de靈ling活huo性xing,以yi覆fu蓋gai不bu同tong的de方fang式shi,加jia速su度du計ji可ke以yi以yi各ge種zhong客ke戶hu設she計ji中zhong使shi用yong。許xu多duo應ying用yong程cheng序xu使shi用yong的de加jia速su度du計ji的de靜jing態tai加jia速su度du讀du數shu通tong過guo從cong重zhong力li測ce量liang加jia速su度du變bian化hua純chun粹cui以yi測ce量liang設she備bei的de傾qing斜xie。這zhe得de益yi於yu加jia速su度du數shu據ju被bei濾lv波bo以yi其qi中zhong高gao頻pin數shu據ju被bei認ren為wei是shi噪zao聲sheng的de低di通tong濾lv波bo器qi。
然ran而er,也ye有you很hen多duo,其qi中zhong,加jia速su度du計ji必bi須xu分fen析xi動dong態tai加jia速su度du的de功gong能neng。接jie口kou功gong能neng,如ru自zi來lai水shui,輕qing彈dan,搖yao晃huang和he步bu數shu的de計ji數shu的de基ji礎chu上shang在zai所suo述shu加jia速su度du變bian化hua的de分fen析xi,這zhe是shi更geng簡jian單dan的de使shi用yong動dong態tai加jia速su度du數shu據ju的de靜jing態tai成cheng分fen已yi被bei除chu去qu後hou解jie釋shi這zhe些xie功gong能neng。該gaiMMA8451Q已經嵌入了用於設置脈衝時間寬度和脈衝之間的時間延遲多種可自定義定時器支持單/shuanghedingxiangzilaishuijiance。youduisuoyousangezhoukebianchengyuzhihechoutoujiancekepeizhiweitongguogaotonglvboqi,yeyunxingtongguoyigeditonglvboqi,tigonggengduodedingzhiheketiaoxiechoutoujiancefangan。zhuangtaijicunqitigongyouguanjiancedaodeshijian,qizhongsuoshuzhouhesuoshuchoutoudefangxianggengxin。
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高通濾波器的截止頻率可以由用戶到其中四個取決於ODR不同的頻率來設置。較高的截止頻率保證了DC數shu據ju或huo更geng慢man的de移yi動dong數shu據ju將jiang被bei過guo濾lv掉diao,隻zhi允yun許xu更geng高gao的de頻pin率lv通tong過guo。嵌qian入ru式shi瞬shun態tai檢jian測ce功gong能neng,采cai用yong了le高gao通tong濾lv波bo後hou的de數shu據ju允yun許xu用yong戶hu設she置zhi閾yu值zhi和he去qu抖dou計ji數shu器qi。瞬shun態tai檢jian測ce功gong能neng所suo用yong的de相xiang同tong的de方fang式shi運yun動dong檢jian測ce通tong過guo繞rao過guo高gao通tong濾lv波bo器qi使shi用yong,這zhe提ti供gong了le更geng大da的de靈ling活huo性xing,以yi覆fu蓋gai不bu同tong的de方fang式shi,加jia速su度du計ji可ke以yi以yi各ge種zhong客ke戶hu設she計ji中zhong使shi用yong。許xu多duo應ying用yong程cheng序xu使shi用yong的de加jia速su度du計ji的de靜jing態tai加jia速su度du讀du數shu通tong過guo從cong重zhong力li測ce量liang加jia速su度du變bian化hua純chun粹cui以yi測ce量liang設she備bei的de傾qing斜xie。這zhe得de益yi於yu加jia速su度du數shu據ju被bei濾lv波bo以yi其qi中zhong高gao頻pin數shu據ju被bei認ren為wei是shi噪zao聲sheng的de低di通tong濾lv波bo器qi。
然ran而er,也ye有you很hen多duo,其qi中zhong,加jia速su度du計ji必bi須xu分fen析xi動dong態tai加jia速su度du的de功gong能neng。接jie口kou功gong能neng,如ru自zi來lai水shui,輕qing彈dan,搖yao晃huang和he步bu數shu的de計ji數shu的de基ji礎chu上shang在zai所suo述shu加jia速su度du變bian化hua的de分fen析xi,這zhe是shi更geng簡jian單dan的de使shi用yong動dong態tai加jia速su度du數shu據ju的de靜jing態tai成cheng分fen已yi被bei除chu去qu後hou解jie釋shi這zhe些xie功gong能neng。該gaiMMA8451Q已經嵌入了用於設置脈衝時間寬度和脈衝之間的時間延遲多種可自定義定時器支持單/shuanghedingxiangzilaishuijiance。youduisuoyousangezhoukebianchengyuzhihechoutoujiancekepeizhiweitongguogaotonglvboqi,yeyunxingtongguoyigeditonglvboqi,tigonggengduodedingzhiheketiaoxiechoutoujiancefangan。zhuangtaijicunqitigongyouguanjiancedaodeshijian,qizhongsuoshuzhouhesuoshuchoutoudefangxianggengxin。
結論
butongdeweijiagongjishu,geishejishiyigexiaoxinghuaxitongbutongdeyouhuaxuanxiang。zhexiefanweicongjifenxinhaochuli,yijianshaozuheduogeshujuliudechuanganqidezhengtichicun,yixiaochuxitongzhongdeqita,gengdadeshebeidelingyizhongfangshi,yijianshaoxitongdezhengtidaxiao。raner,dicengchuanganqijishudexuanzekeyixianzhidezongtifanweiheshebeidexingneng,yincixuyaozaixikaolvyanzheyidongdaoxiaoxinghua。
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