Tanner助力美新（MEMSIC）攻克加速度计的难题

简介

加速度计在很多市场中都有着重要的作用。智能手机中会用到加速度计，汽车中也会用到加速度计。这一器件在医疗中的应用也是与日俱增。对速度的变化率的测量似乎可以有无限的应用。根据Yole《MEMS产业现状-2018版》报告显示，消费类市场仍是加速度计等惯性MEMS器件最大的细分市场，不过，该领域价格压力巨大，且竞争非常激烈；近年火热的自动驾驶汽车领域则青睐高性能惯性器件，但MEMS技术仍能分得一杯羹；2017年，加速度计等惯性MEMS器件的市场规模约为35亿美元，预计到2023年将增长至40亿美元，2017~2023年期间的复合年增长率高于3%。

设计创建加速度计的技术有很多种。其中一种常用的技术是制造具有弹簧悬挂质量块的 MEMS器件（图1）。发生加速时，质量块将会产生移动进而缩短固定齿和可动齿之间的间隙，电容也相应地发生变化。由于固定齿上加有电压，当质量块移动时，可动齿会由于电容的变化产生电压。测量该电压即可确定加速度。然而，可动部件会受到以下情况的影响：粘滞（两个紧密相邻的表面彼此粘附，如梳齿）、振动产生的误差以及冲击力（g-force）导致的可动部件的断裂。

 

图1：质量块MEMS加速度计示意图

现在让我们聚焦到位于马萨诸塞州安多弗的MEMSIC? Inc.（美新半导体有限公司，以下简称MEMSIC）。MEMSIC开发了一种没有可动部件的MEMS和CMOS IC技术。采用独特的热技术，通过被加热的气体分子来测量加速度。因此，MEMSIC加速度计具有诸多优势：

无粘滞作用

可承受50kg以上的冲击力

无可测谐振（具有抗振性）

零g失调稳定

无可测的迟滞现象

要将混合信号处理电路与MEMS器件设计到同一芯片上非常困难，不过MEMSIC已成功将这些技术集成到同一硅片上，并且已向各行业批量供应了多款加速度计。该公司还克服了另外两大障碍，做到了坚持使用标准CMOS IC工艺从而维持低成本生产并且使用Tanner的单套工具将设计开发标准化。

检测加速和运动

大多数加速度计依靠滑块确定运动，但MEMSIC却使用硅中热机械传感器（图2），因此从众多竞争产品中脱颖而出。

 

图2：MEMSIC加速度计基本结构

该传感器大小为1平方毫米，其中心是一个在高于环境温度100度的情况下工作的加热器。加热器周围对称放置着热电堆，可感测不同位置的温度。热电堆由一系列热电偶或温度感应元件组成，串联连接以抬高电压。整个传感器完全密封在气腔中，外面是用于放大、控制模数转换的电路，在三轴型号中还包括数字补偿/校准电路。

在不运动时，热电堆之间的热分布是平衡的。但只要运动或加速，就会改变加热器周围的对流模式，使加速方向上的热电堆变得比其他位置上的热。模拟电路将热电堆产生的信号变化解读为运动和加速。

由于没有可动部件，MEMSIC的加速度计在测量倾侧、倾斜、冲击和振动方面，比对应的机械部件要更持久、更可靠，且耐冲击性可达到25倍以上（大于50kg）。其加速度计芯片广泛应用于需要控制或测量运动的产品中，如汽车报警器、移动电子设备、全球定位系统、电梯控制、病患监测设备和供游戏使用的头戴式显示器。

审核编辑：符乾江