奇妙的飛思卡爾TM加速度傳感器

飛思卡爾半導體


加速傳感器工作原理及架構
飛思卡爾傳感器產品主要分為三大部分：慣性傳感器、壓力傳感器與安全和報警IC。其中，慣性傳感器即為加速傳感器，可以用于偵測傾斜、振動及撞擊，因此可以用在汽車乘客安全、振動監控、 運動診斷、 防盜裝置、 電器平衡、 地震檢測、 傾角/傾斜儀及便攜式電子設備中。
加速傳感器可用來偵測X、Y、Z軸方向的加速度，以類比電壓來表示所偵測的加速度的大小，在IC內部主要由雙芯片構成，即重力感測單元（負責加速度的偵測）與控制IC單元（負責信號處理）。雙芯片可以分開安置也可以疊放處理。

由圖1可知，X軸或Z軸的重力檢測單元將檢測到的加速度變化量信號送到電荷積分器做積分運算，而后進行取樣、保持及信號放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補償處理后即可輸出加速度信息。此輸出之類比電壓與偵測的加速度值會維持線性比例的特性，不會受到溫度的影響。

圖1 加速傳感器簡化的功能區塊框圖(略)

為了說明X軸向g感測單元的感測原理，先來回顧電容的物理特性：電容值的大小與電極板的面積大小成正比，和電極板的間隔距離成反比。g感測單元即利用電容的原理設計出來的，在圖2中左上角的小區塊可以看到，藍色的部分代表可移動的電極板，而在藍色電極板的上方左偏置與下方右偏置板塊則是固定的電極板，此時藍色電極板與左右偏置板形成兩個電容，當藍色電極板因加速度的影響而改變與左右偏置板的間隔，則使得電容值改變進而促使電容電壓值的改變，因此可借此特性計算出加速度的大小。

圖2 X軸向g單元結構示意(略)

Z 軸向垂直g感測單元的感測原理與X軸向g感測單元的感測原理相同，只是架構有所差異。如圖3所示，紅色的震動塊代表可移動的電極板，而綠色的頂板與藍色的底板則是固定的極板。當紅色的極板因為加速度的影響而改變與上下極板的間隔，則將產生電容值的改變。因此，可借此特性計算出此加速度的大小。圖3中黑色的部分為彈簧裝置，用來緩沖可移動電極板的移動。

圖3 Z 軸向垂直g單元(略)

圖4為4 X軸向g單元的SEM照片，顯示了g感測單元的架構，可移動極板在兩個固定極板間左右移動，由可移動極板與固定極板組成的指狀結構是顯而易見的。

圖4 X軸向g單元SEM照片(略)

圖5顯示了Z軸向g感測單元的架構，左圖中，紅色的區塊為固定極板，而綠色區塊則代表可移動中板，可移動中板是在兩個固定極板間上下移動。這與X軸向g單元的指狀結構是截然不同的。

圖5 Z軸向G單元照片(略)


加速傳感器的6種感應功能

1）傾斜度偵測

傾斜度偵測電子羅盤，傾斜儀，文本滾動瀏覽/用戶界面，圖像旋轉，LCD投影，物理治療法。

加速傳感器在靜止時，可用來檢測傾斜角，傾斜角在 90 ~+90 之間變化時，加速傳感器輸出會在 1.0g~+1.0g之間變化。輸出電壓對應傾斜角的公式如下示：

公式(略)

其中：

VOUT=加速傳感器的輸出
Voff =零加速度
V/ G=靈敏度
1.0G=地球重力
=傾斜角

在測量傾斜角度時，需考慮傾斜角解析度與AD轉換器搭配的問題，在安裝加速傳感器時需要確保反映軸與地面垂直。

圖6 MMA7260Q應用電路示意(略)

圖7給出了MMA1260D 1.5g 加速傳感器的典型角度響應，縱軸代表加速傳感器的輸出電壓，橫軸代表傾斜角度，從線型可知，在0度范圍，傾斜角與電壓呈線性變化。而在 90度范圍，傾斜角與電壓則呈現飽和情況。

圖7 MMA1260D 1.5g 加速傳感器的典型角度響應(略)

2）運動檢測

運動檢測可用于運動控制，計步器，基本運動檢測。
在進行運動檢測時，需要考慮到幾個因素，包括：如何計算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測軸。首先確定位移：計算位移要將加速度進行二重積分，速度部分則是需進行一次積分。根據對象的不同，g值的范圍在2~20g之間變化。

圖8 給出了跳躍運動產生的電壓輸出變化示意，由圖中可知，當跳躍至最高點時處于無重力的狀態，當落至地面時加速度出現近似脈沖的波形，由曲線的變化即可判斷具體的運動情況。

3）定位偵測

定位偵測可用于汽車導航，防盜設備，地圖跟蹤。
定位偵測需要考慮的因素包括：加速度的范圍是多少及加速傳感器如何安裝。對加速度數據進行二重積分即可得到位置數據。此外，由于加速度數據是不連續的，所以需要進行近似積分。如下所示：
在進行定位計算時，必須假設初始位置和速度為零，這樣對運動隨時間變化的等式進行積分，就是將每個時間間隔內位置和速度的增量分別與前一個值相加即可代表積分的運算。

4）震動偵測

震動偵測可用于下降記錄，黑盒子/故障記錄儀，HDD保護，運輸和處理監視器。

震動偵測只需考慮的因素是選擇g值的范圍。一般按照被測量對象的減速度決定了震動檢測所需的加速傳感器的規則選取。當然，算法將隨每種設計的不同而不同，一般設為高于某個臨界值。通常情況下，重力的變化范圍為：自由落體檢測為 1.5g而汽車撞擊為 250g。

5）振動偵測

振動偵測可用于地震活動監視器，智能電機維護，家電平衡和監測。
振動偵測需要考慮的因素包括：分析振動頻率的多少，確定g值的范圍及最適當的加速傳感器安裝位置。借助于快速傅立葉變換對加速度資料的分析可得到振動頻率的情況，快速傅立葉變換允許振動信號被分解成它的諧波分量，而每個電機振動都有它自己的諧波分量信號。通常，根據振動的電機或對象的不同，重力的變化范圍為2~ 20g。當加速傳感器安裝的離振源越近時，G的范圍就會越大。

6）自由落下偵測

自由落下偵測可用于自由落體保護，下降記錄，下降檢測，運動控制和認知等。

自由落下偵測可分為三種，分別為：線性落下、旋轉型落下和拋射落下。它需靠量的因素包括：g的范圍一般落在 1g間；由于拋射型落下，因此需考量橫軸加速度的多寡及自由落下時要求檢測的高度。

在完整的自由落體中，線性自由落體需要一個3軸加速計來完成檢測。而旋轉和拋射自由落體需要一個復雜的算法來監控自由落體信號。


MMA7260Q及其特性

新型MMA7260Q是XYZ低g加速傳感器，其特性包括：

單封裝3軸感應

低壓操作：2.2~3.6V

電流消耗低（典型值：500 A ）

休眠模式下電流消耗低(3 A)

模擬輸出

350Hz 帶寬

g選擇：1.5g, 2g, 4g, 和 6g

快速的上電響應時間（1ms）

QFN-16 封裝(6mm x 6 mmx 1.45mm)

無鉛材料和綠色材料

20~+85℃的工作溫度

MMA7260Q具有低功耗特

性，它包含一個休眠模式管腳。在休眠模式下， MMA7260Q的最大電流僅為3 A；在普通模式下， MMA7260Q的最大電流為500 A 。由于電池消耗低，壽命延長，故而使其成為小型電池供電便攜式設備的理想之選。
此外，MMA7260Q 具有快速啟動性能。它的休眠模式的喚醒時間很快，僅為0.5ms。通過將有源低電平休眠模式管腳設為高電平(Vdd) ，即可實現觸發，將X，Y，和Z的輸出從Vss狀態下恢復過來。其常規加電時間也很快，僅為1ms。

MMA7260Q應用電路

圖6為MMA7260Q的實際應用電路，如圖示只需將電阻增加1k ，電容增加0.1 F， 即可將開關電容濾波電路的時鐘噪聲降至最低。

MMA7260Q的g選擇

MMA7260Q的g選擇可參照表1，通常g的范圍由MCU的I/O驅動控制，在應用時如何確保獲得最佳的靈敏度狀態，則可以設定如果當MCU在讀取感測器的時候，出現滿格的狀況并持續一段時間，則MCU必須設定更大的g值范圍來確定是否輸出還會飽和。在不同的應用時，也可以透過設定不同的g值范圍來獲得最佳的靈敏度狀態。

表1：MMA726Q的g選擇(略)

基于以往的經驗，對于g值的選擇，有以下四個實際建議：1.5g 適合自由落體或精確的傾斜補償應用；2g適合手持式運動檢測或游戲控制器；4g適合于低振動監控、運輸和處理而6g適合高振動監控與較高的震動讀取。


加速傳感器應用

加速傳感器可用作汽車翻車事故、拖車制動器控制、智能電機、 PDA滾動、LCD投影儀防震、鏡頭保護、HDD保護與圖像穩定性等各個方面。

在馬達控制器應用中，通過加速傳感器可以將震動量變化為數據，借此數據可判斷出震動量的大小，可用作預防性維修、檢測振動信號、檢測電機故障并節省成本。

在HDD保護應用中，自由落下偵測是最近出現在消費性電子產品的一個新的應用，利用此項功能可以保護HDD的資料安全。在HDD自由落下撞擊地面之前，從加速傳感器所得的資料分析出相應的危機狀態，系統可立即令HDD讀寫頭做出反應，以防止撞擊時讀寫頭將HDD資料刮壞。同樣適用于音樂播放器、電話、PDA和其他便攜式電子設備，包含下降記錄偵測與3軸向檢測功能。


問答選編

問：對于加速度不穩定的測量，會不會根據g值變化自 動調節？還是需要MCU調節？

答：需要用MCU根據不同的g水平來調節g值選擇管角。

問：該加速傳感器支持三維感應嗎 ？

答：MMA7260Q可以用當單個芯片支持三維加速度探測。

問：加速計傳感器如何在MP3設計方案中添加，通過什 么總線控制？

答：如有AD接口，可經RC filter直接連接。如沒有，可 在中間增加MCU或ADC，通過SPI或IIC控制。加 MCU的優點是在MP3關機的時候，可加一些增值 功能(如計步器或防盜)。

問：汽車側向加速度的測量能采用什么類型的加速度 傳感器？

答：可用X-Y軸傳感器。

問：用加速度傳感器數據兩次積分求位移，這種方法是 否能在實際工程當中使用？

答：要考慮地心引力的影響，可用Numerical Method的 方法計算，位移一般不會很準確。

問：芯片除RS232外，還提供哪些外部接口?

答：芯片沒有RS232接口，只有模擬輸出。

問：采用MMA7260Q能否作為一般的震動檢測？

答：可以。

問：貴公司是否會在近期內提供高重力加速度傳感器 （40g以上），以支持汽車碰撞檢測？

答：飛思卡爾提供g值從1.5～250g的廣泛的加速度 傳感器。目前已經量產了40g以上的產品用于汽 車碰撞（氣囊應用）探測。

問：目前市場上有多種類型的加速度傳感器，有的基于 壓電晶體，有的基于電容、電阻應變片等。請問芯 片化的加速度傳感器與這些傳統的加速傳感器相 比，有什么樣的特點和不足？

答：芯片化的傳感器相對來說功耗較低，采用數字方式 進行數據分析，可靠性高，占用的電路板空間較少， 但是價格要比機械式傳感器要高。

問： MMA7260Q 的內部加速度采樣速率是多少？什么 樣的A/D采樣率和什么樣的電源開關頻率才能不 影響加速度計的采樣？

答：MMA7260Q是11kHz，頻率在400Hz時會影響加速度 的采樣。

問：加速度傳感器能否同時提供x、y、z三個方向上的加 速度信號？

答：可以用三軸加速度傳感器來實現。

問：硬盤內置加速器傳感器來保護硬盤是怎么回事？

答：當硬盤不慎掉落時，加速器傳感器會偵查到，將硬 盤的指針回到原位，以避免指針刮傷到硬盤的磁道。

問：在用7260Q時，如何選擇g，就是說怎么知道我所應 用的g的范圍，比如震動過程，g的大小如何確定的？

答：要看看最大加速度的數值，7260的好處是可變換這 個值。所以，當AD的值過大時，變換更大的最大 加速度值；相反，當AD值小時，變換更小值的加速 度值，從而得到更敏感的加速度。

問：用MMA6260開發電腦鼠標需要注意哪些問題？

答：要注意地心引力，在沒有加速的情形下不能測知的。

問：三軸加速度傳感器是否X，Y和Z三軸都有輸出？ 此時MCU如何判斷?

答：是，要有三個AD囗來區分三軸。

問：freescale的加速度傳感器有頻率下限嗎？

答：沒有頻率下限。

問：一般來說，加速度傳感器對電源的波紋要求高嗎?

答：有要求，電源必須干凈。

問：需要溫度補償處理嗎？需要用戶自己做嗎？

答：IC內部有溫度補償處理，不需用戶處理。

問：飛思卡爾的傳感器主要涉及哪些領域，傳感器開發 的前景怎么樣，發展方向是什么?

答：主要有壓力傳感，慣性傳感及安全偵察 IC，傳感器 已漸漸普及到一般消費性產品的應用， 尤其是手 持式產品，在這一領域將會有很高的年復合成長率。

問：加速度傳感器和陀螺儀是不是一種產品?

答：功能上兩者相似，但加速計傳感對非旋轉的運動有 較佳的偵測， 陀螺儀則對旋轉的運動偵測， 有較好 的反應。