奇妙的飞思卡尔TM加速度传感器

飞思卡尔半导体


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。

图1 加速传感器简化的功能区块框图(略)

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。

图2 X轴向g单元结构示意(略)

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3 Z 轴向垂直g单元(略)

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4 X轴向g单元SEM照片(略)

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。

图5 Z轴向G单元照片(略)


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：

公式(略)

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6 MMA7260Q应用电路示意(略)

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。

图7 MMA1260D 1.5g 加速传感器的典型角度响应(略)

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的最大电流为500 A 。由于电池消耗低，寿命延长，故而使其成为小型电池供电便携式设备的理想之选。
此外，MMA7260Q 具有快速启动性能。它的休眠模式的唤醒时间很快，仅为0.5ms。通过将有源低电平休眠模式管脚设为高电平(Vdd) ，即可实现触发，将X，Y，和Z的输出从Vss状态下恢复过来。其常规加电时间也很快，仅为1ms。

MMA7260Q应用电路

图6为MMA7260Q的实际应用电路，如图示只需将电阻增加1k ，电容增加0.1 F， 即可将开关电容滤波电路的时钟噪声降至最低。

MMA7260Q的g选择

MMA7260Q的g选择可参照表1，通常g的范围由MCU的I/O驱动控制，在应用时如何确保获得最佳的灵敏度状态，则可以设定如果当MCU在读取感测器的时候，出现满格的状况并持续一段时间，则MCU必须设定更大的g值范围来确定是否输出还会饱和。在不同的应用时，也可以透过设定不同的g值范围来获得最佳的灵敏度状态。

表1：MMA726Q的g选择(略)

基于以往的经验，对于g值的选择，有以下四个实际建议：1.5g 适合自由落体或精确的倾斜补偿应用；2g适合手持式运动检测或游戏控制器；4g适合于低振动监控、运输和处理而6g适合高振动监控与较高的震动读取。


加速传感器应用

加速传感器可用作汽车翻车事故、拖车制动器控制、智能电机、 PDA滚动、LCD投影仪防震、镜头保护、HDD保护与图像稳定性等各个方面。

在马达控制器应用中，通过加速传感器可以将震动量变化为数据，借此数据可判断出震动量的大小，可用作预防性维修、检测振动信号、检测电机故障并节省成本。

在HDD保护应用中，自由落下侦测是最近出现在消费性电子产品的一个新的应用，利用此项功能可以保护HDD的资料安全。在HDD自由落下撞击地面之前，从加速传感器所得的资料分析出相应的危机状态，系统可立即令HDD读写头做出反应，以防止撞击时读写头将HDD资料刮坏。同样适用于音乐播放器、电话、PDA和其他便携式电子设备，包含下降记录侦测与3轴向检测功能。


问答选编

问：对于加速度不稳定的测量，会不会根据g值变化自 动调节？还是需要MCU调节？

答：需要用MCU根据不同的g水平来调节g值选择管角。

问：该加速传感器支持三维感应吗 ？

答：MMA7260Q可以用当单个芯片支持三维加速度探测。

问：加速计传感器如何在MP3设计方案中添加，通过什 么总线控制？

答：如有AD接口，可经RC filter直接连接。如没有，可 在中间增加MCU或ADC，通过SPI或IIC控制。加 MCU的优点是在MP3关机的时候，可加一些增值 功能(如计步器或防盗)。

问：汽车侧向加速度的测量能采用什么类型的加速度 传感器？

答：可用X-Y轴传感器。

问：用加速度传感器数据两次积分求位移，这种方法是 否能在实际工程当中使用？

答：要考虑地心引力的影响，可用Numerical Method的 方法计算，位移一般不会很准确。

问：芯片除RS232外，还提供哪些外部接口?

答：芯片没有RS232接口，只有模拟输出。

问：采用MMA7260Q能否作为一般的震动检测？

答：可以。

问：贵公司是否会在近期内提供高重力加速度传感器 （40g以上），以支持汽车碰撞检测？

答：飞思卡尔提供g值从1.5～250g的广泛的加速度 传感器。目前已经量产了40g以上的产品用于汽 车碰撞（气囊应用）探测。

问：目前市场上有多种类型的加速度传感器，有的基于 压电晶体，有的基于电容、电阻应变片等。请问芯 片化的加速度传感器与这些传统的加速传感器相 比，有什么样的特点和不足？

答：芯片化的传感器相对来说功耗较低，采用数字方式 进行数据分析，可靠性高，占用的电路板空间较少， 但是价格要比机械式传感器要高。

问： MMA7260Q 的内部加速度采样速率是多少？什么 样的A/D采样率和什么样的电源开关频率才能不 影响加速度计的采样？

答：MMA7260Q是11kHz，频率在400Hz时会影响加速度 的采样。

问：加速度传感器能否同时提供x、y、z三个方向上的加 速度信号？

答：可以用三轴加速度传感器来实现。

问：硬盘内置加速器传感器来保护硬盘是怎么回事？

答：当硬盘不慎掉落时，加速器传感器会侦查到，将硬 盘的指针回到原位，以避免指针刮伤到硬盘的磁道。

问：在用7260Q时，如何选择g，就是说怎么知道我所应 用的g的范围，比如震动过程，g的大小如何确定的？

答：要看看最大加速度的数值，7260的好处是可变换这 个值。所以，当AD的值过大时，变换更大的最大 加速度值；相反，当AD值小时，变换更小值的加速 度值，从而得到更敏感的加速度。

问：用MMA6260开发电脑鼠标需要注意哪些问题？

答：要注意地心引力，在没有加速的情形下不能测知的。

问：三轴加速度传感器是否X，Y和Z三轴都有输出？ 此时MCU如何判断?

答：是，要有三个AD囗来区分三轴。

问：freescale的加速度传感器有频率下限吗？

答：没有频率下限。

问：一般来说，加速度传感器对电源的波纹要求高吗?

答：有要求，电源必须干净。

问：需要温度补偿处理吗？需要用户自己做吗？

答：IC内部有温度补偿处理，不需用户处理。

问：飞思卡尔的传感器主要涉及哪些领域，传感器开发 的前景怎么样，发展方向是什么?

答：主要有压力传感，惯性传感及安全侦察 IC，传感器 已渐渐普及到一般消费性产品的应用， 尤其是手 持式产品，在这一领域将会有很高的年复合成长率。

问：加速度传感器和陀螺仪是不是一种产品?

答：功能上两者相似，但加速计传感对非旋转的运动有 较佳的侦测， 陀螺仪则对旋转的运动侦测， 有较好 的反应。