簡介

加速度計在很多市場中都有著重要的作用。智能手機中會用到加速度計，汽車中也會用到加速度計。這一器件在醫(yī)療中的應用也是與日俱增。對速度的變化率的測量似乎可以有無限的應用。根據(jù)Yole《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2018版》報告顯示，消費類市場仍是加速度計等慣性MEMS器件最大的細分市場，不過，該領(lǐng)域價格壓力巨大，且競爭非常激烈；近年火熱的自動駕駛汽車領(lǐng)域則青睞高性能慣性器件，但MEMS技術(shù)仍能分得一杯羹；2017年，加速度計等慣性MEMS器件的市場規(guī)模約為35億美元，預計到2023年將增長至40億美元，2017~2023年期間的復合年增長率高于3%。

設(shè)計創(chuàng)建加速度計的技術(shù)有很多種。其中一種常用的技術(shù)是制造具有彈簧懸掛質(zhì)量塊的 MEMS器件（圖1）。發(fā)生加速時，質(zhì)量塊將會產(chǎn)生移動進而縮短固定齒和可動齒之間的間隙，電容也相應地發(fā)生變化。由于固定齒上加有電壓，當質(zhì)量塊移動時，可動齒會由于電容的變化產(chǎn)生電壓。測量該電壓即可確定加速度。然而，可動部件會受到以下情況的影響：粘滯（兩個緊密相鄰的表面彼此粘附，如梳齒）、振動產(chǎn)生的誤差以及沖擊力（g-force）導致的可動部件的斷裂。

圖1：質(zhì)量塊MEMS加速度計示意圖

現(xiàn)在讓我們聚焦到位于馬薩諸塞州安多弗的MEMSIC? Inc.（美新半導體有限公司，以下簡稱MEMSIC）。MEMSIC開發(fā)了一種沒有可動部件的MEMS和CMOS IC技術(shù)。采用獨特的熱技術(shù)，通過被加熱的氣體分子來測量加速度。因此，MEMSIC加速度計具有諸多優(yōu)勢：

無粘滯作用

可承受50kg以上的沖擊力

無可測諧振（具有抗振性）

零g失調(diào)穩(wěn)定

無可測的遲滯現(xiàn)象

要將混合信號處理電路與MEMS器件設(shè)計到同一芯片上非常困難，不過MEMSIC已成功將這些技術(shù)集成到同一硅片上，并且已向各行業(yè)批量供應了多款加速度計。該公司還克服了另外兩大障礙，做到了堅持使用標準CMOS IC工藝從而維持低成本生產(chǎn)并且使用Tanner的單套工具將設(shè)計開發(fā)標準化。

檢測加速和運動

大多數(shù)加速度計依靠滑塊確定運動，但MEMSIC卻使用硅中熱機械傳感器（圖2），因此從眾多競爭產(chǎn)品中脫穎而出。

圖2：MEMSIC加速度計基本結(jié)構(gòu)

該傳感器大小為1平方毫米，其中心是一個在高于環(huán)境溫度100度的情況下工作的加熱器。加熱器周圍對稱放置著熱電堆，可感測不同位置的溫度。熱電堆由一系列熱電偶或溫度感應元件組成，串聯(lián)連接以抬高電壓。整個傳感器完全密封在氣腔中，外面是用于放大、控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，在三軸型號中還包括數(shù)字補償/校準電路。

在不運動時，熱電堆之間的熱分布是平衡的。但只要運動或加速，就會改變加熱器周圍的對流模式，使加速方向上的熱電堆變得比其他位置上的熱。模擬電路將熱電堆產(chǎn)生的信號變化解讀為運動和加速。

由于沒有可動部件，MEMSIC的加速度計在測量傾側(cè)、傾斜、沖擊和振動方面，比對應的機械部件要更持久、更可靠，且耐沖擊性可達到25倍以上（大于50kg）。其加速度計芯片廣泛應用于需要控制或測量運動的產(chǎn)品中，如汽車報警器、移動電子設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、電梯控制、病患監(jiān)測設(shè)備和供游戲使用的頭戴式顯示器。