加速传感器工作原理及架构

加速传感器工作原理及架构

飞思卡尔传感器产品主要分为三大部分：惯性传感器、压力传感器与安全和报警IC。其中，惯性传感器即为加速传感器，可以用于侦测倾斜、振动及撞击，因此可以用在汽车乘客安全、振动监控、运动诊断、防盗装置、电器平衡、地震检测、倾角/倾斜仪及便携式电子设备中。

加速传感器可用来侦测X、Y、Z轴方向的加速度，以类比电压来表示所侦测的加速度的大小，在IC内部主要由双芯片构成，即重力感测单元（负责加速度的侦测）与控制IC单元（负责信号处理）。双芯片可以分开安置也可以叠放处理。

由图1可知，X轴或Z轴的重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到电荷积分器做积分运算，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。此输出之类比电压与侦测的加速度值会维持线性比例的特性，不会受到温度的影响。

为了说明X轴向g感测单元的感测原理，先来回顾电容的物理特性：电容值的大小与电极板的面积大小成正比，和电极板的间隔距离成反比。g感测单元即利用电容的原理设计出来的，在图2中左上角的小区块可以看到，蓝色的部分代表可移动的电极板，而在蓝色电极板的上方左偏置与下方右偏置板块则是固定的电极板，此时蓝色电极板与左右偏置板形成两个电容，当蓝色电极板因加速度的影响而改变与左右偏置板的间隔，则使得电容值改变进而促使电容电压值的改变，因此可借此特性计算出加速度的大小。

Z 轴向垂直g感测单元的感测原理与X轴向g感测单元的感测原理相同，只是架构有所差异。如图3所示，红色的震动块代表可移动的电极板，而绿色的顶板与蓝色的底板则是固定的极板。当红色的极板因为加速度的影响而改变与上下极板的间隔，则将产生电容值的改变。因此，可借此特性计算出此加速度的大小。图3中黑色的部分为弹簧装置，用来缓冲可移动电极板的移动。

图4为4 X轴向g单元的SEM照片，显示了g感测单元的架构，可移动极板在两个固定极板间左右移动，由可移动极板与固定极板组成的指状结构是显而易见的。

图5显示了Z轴向g感测单元的架构，左图中，红色的区块为固定极板，而绿色区块则代表可移动中板，可移动中板是在两个固定极板间上下移动。这与X轴向g单元的指状结构是截然不同的。

加速传感器的6种感应功能

1）倾斜度侦测

倾斜度侦测电子罗盘，倾斜仪，文本滚动浏览/用户界面，图像旋转，LCD投影，物理治疗法。

加速传感器在静止时，可用来检测倾斜角，倾斜角在90 ~+90 之间变化时，加速传感器输出会在1.0g~+1.0g 之间变化。输出电压对应倾斜角的公式如下示：

其中：

VOUT=加速传感器的输出

Voff =零加速度

V/ G=灵敏度

1.0G=地球重力

=倾斜角

在测量倾斜角度时，需考虑倾斜角解析度与AD转换器搭配的问题，在安装加速传感器时需要确保反映轴与地面垂直。

图7给出了MMA1260D 1.5g 加速传感器的典型角度响应，纵轴代表加速传感器的输出电压，横轴代表倾斜角度，

从线型可知，在0度范围，倾斜角与电压呈线性变化。而在90度范围，倾斜角与电压则呈现饱和情况。

2）运动检测

运动检测可用于运动控制，计步器，基本运动检测。

在进行运动检测时，需要考虑到几个因素，包括：如何计算它的位移，g值的范围选择及使用量测轴。首先确定位移：计算位移要将加速度进行二重积分，速度部分则是需进行一次积分。根据对象的不同，g值的范围在2~20g 之间变化。

图8 给出了跳跃运动产生的电压输出变化示意，由图中可知，当跳跃至最高点时处于无重力的状态，当落至地面时加速度出现近似脉冲的波形，由曲线的变化即可判断具体的运动情况。

3）定位侦测

定位侦测可用于汽车导航，防盗设备，地图跟踪。

定位侦测需要考虑的因素包括：加速度的范围是多少及加速传感器如何安装。对加速度数据进行二重积分即可得到位置数据。此外，由于加速度数据是不连续的，所以需要进行近似积分。如下所示：

在进行定位计算时，必须假设初始位置和速度为零，这样对运动随时间变化的等式进行积分，就是将每个时间间隔内位置和速度的增量分别与前一个值相加即可代表积分的运算。

4）震动侦测

震动侦测可用于下降记录，黑盒子/故障记录仪，HDD保护，运输和处理监视器。

震动侦测只需考虑的因素是选择g值的范围。一般按照被测量对象的减速度决定了震动检测所需的加速传感器的规则选取。当然，算法将随每种设计的不同而不同，一般设为高于某个临界值。通常情况下，重力的变化范围为：自由落体检测为1.5g而汽车撞击为250g。

5）振动侦测

振动侦测可用于地震活动监视器，智能电机维护，家电平衡和监测。

振动侦测需要考虑的因素包括：分析振动频率的多少，确定g值的范围及最适当的加速传感器安装位置。借助于快速傅立叶变换对加速度资料的分析可得到振动频率的情况，快速傅立叶变换允许振动信号被分解成它的谐波分量，而每个电机振动都有它自己的谐波分量信号。通常，根据振动的电机或对象的不同，重力的变化范围为2~ 20g。当加速传感器安装的离振源越近时，G的范围就会越大。

6）自由落下侦测

自由落下侦测可用于自由落体保护，下降记录，下降检测，运动控制和认知等。

自由落下侦测可分为三种，分别为：线性落下、旋转型落下和抛射落下。它需靠量的因素包括：g的范围一般落在1g间；由于抛射型落下，因此需考量横轴加速度的多寡及自由落下时要求检测的高度。

在完整的自由落体中，线性自由落体需要一个3轴加速计来完成检测。而旋转和抛射自由落体需要一个复杂的算法来监控自由落体信号。

MMA7260Q及其特性

新型MMA7260Q是XYZ低g加速传感器，其特性包括：

单封装3轴感应

低压操作：2.2~3.6V

电流消耗低（典型值：500 A ）

休眠模式下电流消耗低(3 A)

模拟输出

350Hz 带宽

g选择：1.5g, 2g, 4g, 和6g

快速的上电响应时间（1ms）

QFN-16 封装(6mm x 6 mmx 1.45mm)

无铅材料和绿色材料

20~+85℃的工作温度

MMA7260Q具有低功耗特

性，它包含一个休眠模式管脚。在休眠模式下，MMA7260Q的最大电流仅为3 A；在普通模式下，MMA7260Q