加速度传感器.docx

标题

摘要：一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。下面我选取了memsic加速度传感器来描述。

一：MEMSIC加速度传感器[1]

二：内容
1.装置原理：
一个被放置在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向，在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的，此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压
是相同的(见图1)
由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而这热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的，在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径，一条是用于测量X轴上所感应的加速度，另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度(见图2)

2.加速度传感器量程和输出：
MEMSIC加速度传感器最大可以测量范围是1g到100g，除了动态加速度，如震动MEMSIC器件还可以测静态加速度，如重力加速度。
器件可以提供模拟或数字的输出信号模拟输出有绝对模式和相对模式两种，绝对模式的输出电压和供电电压无关，而相对模式的输出电压和供电电压成比例。数字输出信号是一种PWM调制后的和加速度大小成正比的占空比信号，高电平占一个周期脉宽的比率，分辨率，也就是能测量到的最小加速度变化量,取决于信号噪声，MEMSIC的典型噪声水平低于1mg/Hz。在低频条件下可以测量到低于1mg的信号频率响应，也就是对快速变化的加速度的反应能力由结构来决定。对器件来说在-3dB处频响为30Hz通过外部扩展，频响可以扩展到160Hz以上。

图1传感器检测原理垂直剖面图

图2内部功能方块图

封装和工作条件：
加速度传感器采用低高度LCC表面贴装气密性封装形式(封装尺寸5mmx5mmx2mm).它还包含一个内置的温度传感器和参考电压输出.

管脚介绍：
VDD内部数字电路电源电压输入脚：直流电源电压必须控制在+3V到+5.25V之间。
VDA内部模拟电路电源电压输入脚：直流电源电压必须控制在+3V到+5.25V之间。
GND接地脚
AOUTX轴加速度感应输出脚：与之相连的器件的输入阻抗需足够高以保证此脚的输出电流不大于100µA灵敏度在出厂前被设置成与Y轴相同，但可以根据用户的要求将两个轴的灵敏度设置成不同的值。
AOUTYY轴加速度感应输出脚：与之相连的器件的输入阻抗需足够高以保证此脚的输出电流不大于100µA灵敏度在出厂前被设置成与Y轴相同，但可以根据用户的要求将两个轴的灵敏度设置成不同的值。
TOUT内部温度传感器缓冲输出脚：此脚输出的模拟电压所指示的是管芯衬底的温度，此电压可用于测量周围环境温度度的变化量而不是对温度直接测量.当环境温度发生变化时,Tout的输出电压相对于25°C时的电压就产生一个差值.用此差值可以对传感器的零点偏置和灵敏度进行补偿。
SckMEMSIC标准产品选择的是内部时：800kHz当选择内部时钟时此脚必须接地根据客户的特殊要求MEMSIC可以定制使用外部时钟的产品外部时钟的频率范围400kHz至1.6MHz。
Vref输出一个2.50V的参考电压此脚的驱动能力为100µA。

3.灵敏度温度变化的补偿
所有热电耦式加速度传感器的灵敏度都会随温度而变化。这种灵敏度的变化完全由热传导的物理特性所决定制造过程中的个体差异不会影响这种灵敏度的变化，所以这种灵敏度的变化不存在个体之间的不同。
灵敏度随温度的变化遵循以下公式：

其中Si是在任何初始温度Ti如（25°C）时的灵敏度。而Sf是在任何最终温度Tf时的灵敏度。温度单位为绝对温度°K温度的幂值系数T在不同类型的器件是会有一些偏差(比如EL型的T是2.90,而AL型是2.67)

图4热电偶加速度传感器的灵敏度曲线

应用领域的灵敏度调整：
1.对于游戏应用领域，游戏机或操纵器是在室温下工作的故环境温度可以认为基本不变就没有必要对器件的灵敏度进行补偿，可以通过游戏前的校准或通过玩家直觉来弥补。
2．对于那些可以允许灵敏度有百分之几变化的应用领域上述的公式可以用一个线性函数来近似。用这种近似的方法（通过一个有–0.9%/°C增益的外部电路）可以将灵敏度的变化限制在2.6%以内（以室温时的灵敏度为基准，温度从0°C变化到+50°C）。
3.对于性能要求比较高的应用，可以用一个低价位的MCU来