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zai6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 - 3.6fuzhiliudianyuan。wenyaqiyongyubaochiduishurudianyuandianyafanweineihengdingdeneibugongzuodianya。zheyang,keyitongguoshurudianyuandianyadefanweineiwendingdegongzuotexing,yiconggonggeibianyiquchurenhecuowu,bingxiaochuleduiwaibudianyuantiaojie,jinyibujiangdileshejidezhengtichicun。
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(wei)260〜1260百帕,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
congweijixiejiasudujideduogezhouzuheshujujingchangyonglaitixingzhuchuliqi,gaizhuangzhijiangyaobeijihuode,danzhezhongfangfayeshiyonghujiemianzhichishoushijiekouderiyiyibufen。shiyongshujudejiehe,shixitongshejirenyuannenggoutongguoxiaochujianpan,anniudengjiekoujishudejinyibuxiaoxinghuadeshebei。feisikaerMMA8451Q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。
當dang加jia速su度du超chao過guo設she定ding閾yu值zhi時shi,無wu論lun是shi作zuo為wei一yi個ge快kuai速su抖dou動dong或huo慢man速su傾qing斜xie,運yun動dong可ke以yi觸chu發fa中zhong斷duan,這zhe取qu決jue於yu配pei置zhi的de事shi件jian的de閾yu值zhi和he定ding時shi值zhi。這zhe種zhong條tiao件jian將jiang需xu要yao發fa生sheng了le至zhi少shao100毫(hao)秒(miao),以(yi)確(que)保(bao)該(gai)事(shi)件(jian)不(bu)隻(zhi)是(shi)噪(zao)聲(sheng)。的(de)定(ding)時(shi)值(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)可(ke)配(pei)置(zhi)的(de)去(qu)抖(dou)動(dong)計(ji)數(shu)器(qi),它(ta)的(de)作(zuo)用(yong)就(jiu)像(xiang)一(yi)個(ge)過(guo)濾(lv)器(qi),以(yi)確(que)定(ding)條(tiao)件(jian)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)一(yi)組(zu)可(ke)配(pei)置(zhi)的(de)時(shi)間(jian)(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(gai)MMA8451Q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。
當dang加jia速su度du超chao過guo設she定ding閾yu值zhi時shi,無wu論lun是shi作zuo為wei一yi個ge快kuai速su抖dou動dong或huo慢man速su傾qing斜xie,運yun動dong可ke以yi觸chu發fa中zhong斷duan,這zhe取qu決jue於yu配pei置zhi的de事shi件jian的de閾yu值zhi和he定ding時shi值zhi。這zhe種zhong條tiao件jian將jiang需xu要yao發fa生sheng了le至zhi少shao100毫(hao)秒(miao),以(yi)確(que)保(bao)該(gai)事(shi)件(jian)不(bu)隻(zhi)是(shi)噪(zao)聲(sheng)。的(de)定(ding)時(shi)值(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)可(ke)配(pei)置(zhi)的(de)去(qu)抖(dou)動(dong)計(ji)數(shu)器(qi),它(ta)的(de)作(zuo)用(yong)就(jiu)像(xiang)一(yi)個(ge)過(guo)濾(lv)器(qi),以(yi)確(que)定(ding)條(tiao)件(jian)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)一(yi)組(zu)可(ke)配(pei)置(zhi)的(de)時(shi)間(jian)(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(gai)MMA8451Q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
不bu同tong的de微wei加jia工gong技ji術shu,給gei設she計ji師shi一yi個ge小xiao型xing化hua係xi統tong不bu同tong的de優you化hua選xuan項xiang。這zhe些xie範fan圍wei從cong積ji分fen信xin號hao處chu理li,以yi減jian少shao組zu合he多duo個ge數shu據ju流liu的de傳chuan感gan器qi的de整zheng體ti尺chi寸cun,以yi消xiao除chu係xi統tong中zhong的de其qi它ta,更geng大da的de設she備bei的de另ling一yi種zhong方fang式shi,以yi減jian少shao係xi統tong的de整zheng體ti大da小xiao。然ran而er,底di層ceng傳chuan感gan器qi技ji術shu的de選xuan擇ze可ke以yi限xian製zhi的de總zong體ti範fan圍wei和he設she備bei的de性xing能neng,因yin此ci需xu要yao仔zai細xi考kao慮lv沿yan著zhe移yi動dong到dao小xiao型xing化hua。
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