Motorola Low-g系列加速度传感器芯片及应用.doc

Freescale Semiconductor (原Motorola Semiconductors)的 Low-G系列加速度传感器的应用The application of Freescale low-g family accelerometer sensor 东北大学 信息学院 李晶皎王爱侠引言Freescale的加速度传感器系列的器件有很多种，按测量的加速度方向分类有：X轴、Z轴和XY轴；按测量的加速度测量量程分类有Low-G系列(1.5g-5g)和普通系列(5g以上)注：1g=9.807m/s2。本文主要介绍Low-G系列（见表1）的加速度传感器。表1 Low-G加速度传感器名称轴向范围输出信号MMA2260DX轴1.5g1200mV/gMMA1260DZ轴1.5g1200mV/gMMA1270DZ轴2.5g750mV/gMMA1250DZ轴5g400mV/gMMA6260QXY轴1.5g800mV/g表1中的Z轴传感器MMA1250D、MMA1260D、MMA1270D在2001年就已经问世，而XY轴传感器MMA6260Q是2004年的新产品，它是双轴（XY轴）集成电路传感器。根据封装形式和带宽响应的不同，MMA62xxQ系列有以下几种芯片，如表2所示。表2 MMA626xQ系列芯片种类型号加速度 (g)传感器轴向灵敏度(mV/g)频率(Hz)VDD 电源电压 (典型值) (V)封装形式MMA6260Q1.5XY800503.3QFN-16,Tube MMA6261Q1.5XY8003003.3QFN-16,Tube MMA6262Q1.5XY8001503.3QFN-16,Tube MMA6263Q1.5XY8009003.3QFN-16,Tube MMA6231Q10XY1203003.3QFN-16,Tube MMA6233Q10XY1209003.3QFN-16,Tube MMA6260Q XY轴加速度传感器工作原理简介Freescale XY轴加速度传感器由2部分组成：G-单元和信号调理ASIC电路（如图1所示）。G-单元是机械结构，它是用半导体制作技术、由多晶硅半导体材料制成，并且是密封的（实物参见图1(b)）。在图1(b)中的另一块电路称为信号调理ASIC电路，图1(a)中的积分、放大、滤波、温度补偿、控制逻辑和EEPROM相关电路、振荡器、时钟生成器、以及自检等电路组成，完成G-单元测量的电容值到电压输出的转换。G-单元的等效电路如图2所示，它相当于在2个固定的电容极板中间放置1个可移动的极板。当有加速度作用于系统时，中间极板偏离静止位置。用中间极板偏离静止位置的距离测量加速度，中间极板与其中一个固定极板的距离增加，同时与另一个固定极板的距离减少，且距离变化值相等。距离的变化使得2个极板间的电容改变(如图2所示)，电容值的计算公式是：C=Ae/D，其中A是极板的面积，D是极板间的距离，e是电介质常数。信号调理ASIC电路将G-单元测量的2个电容值转换成加速度值，并使加速度与输出电压成正比。滤波单元由2阶开关电容滤波器组成，用Bessel实现平稳的延时响应，从而将脉冲形状完整地保留下来。自检单元用于保证G-单元和加速计芯片中的电路工作正常，在G-单元中有第4个极板，如图3所示，当在ST管脚加高电平时，校准电压加在自检极板和中间极板之间，在电场的作用下中间极板移动，由信号调理ASIC电路测得的偏移应与输出电压成比例。(a) XY轴加速度传感器功能框图信号调理ASIC电路G-单元(b) 芯片内部示意图图1 XY轴加速度传感器图2 G-单元等效电路图3 G-单元测试极板示意图MMA6260Q XY轴加速度传感器的使用方法加速度传感器的输出电压与加速度成正比，为了测量加速度传感器芯片的输出电压，通常使用带有A/D的微控制器，具体连接方法参见图4。Xout与A/D IN管脚之间的RC是起滤波作用，用于减小时钟噪声。加速度传感器与微控制器之间不要有高电流。电源与地之间的0.1uF的电容是去耦电容。要尽量减小加速度传感器与微控制器的距离。为了使加速计体积尽可能地小，芯片通常采用表贴封装。最好将加速度测量板安装在可以获得理想加速度的地方，例如：能够快速地获取加速度，同时是系统的重心等。另外，加速计的安装方向也要保证。图4 XY轴加速度传感器与微控制器的连接加速度传感器的应用汽车电子的应用l 安全气袋l 翻转检测l 碰撞检测l 车辆动态控制l 刹车控制系统l 驾驶者安全装置卫生保健的应用l 理疗设备l 康复设备l 健身器材的测量系统l 跑步机l 运动医学设备l 运动诊断设备工业和消费电子应用l 游戏控制板l 振动监测l 便携与手持设