响应三维加速度传感器活动，传资料

john_wang

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加速度传感器可以用来测量加速度、运动、冲击、振动、倾角和压力，产品的应用领域包括汽车工业、其他移动机器以及范围广泛的终端设备、医疗设备、运动健身和娱乐领域。

2楼：浅谈 3D-MEMS 加速度传感器
3楼：在消费电子设备中如何选择和集成MEMS运动处理方案
4楼：ST面向手持设备的MEMS解决方案
5楼：CMA3000-D0X软件编程

john_wang

浅谈 3D-MEMS 加速度传感器
原帖：http://blog.21ic.com/user1/1721/archives/2006/30544.html

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）本质上是一种把微型机械元件（如传感器、制动器等）与电子电路集成在同一颗芯片上的半导体技术。一般芯片只是利用了硅半导体的电气特性，而 MEMS 则利用了芯片的电气和机械两种特性。

三维微电子机械系统（3D-MEMS），是将硅加工成三维结构，其封装和触点便于安装和装配，用这种技术制作的传感器具有极好的精度、极小的尺寸和极低的功耗。这种传感器仅由一小片硅就能制作出来，并能测量三个互相垂直方向的加速度。 例如为承受强烈震动的加速度传感器和高分辨率的高度计提供合适的机械阻尼。这类传感器的功率消耗非常低，这使它们在电池驱动设备中具有不可比拟的优越性。

那么，MEMS传感器的工作原理是什么？在 MEMS 传感器芯片内，三轴（X、Y、Z）上的运动或倾斜会引起活动硅结构的少量位移，造成活动和固定元器件之间的电容发生变化。在同一封装上的接口芯片把微小的电容变化转变成与运动成比例的校准模拟电压。为确保可重复使用的性能，接口芯片允许出厂后微调，因此，无需对终端产品的生产线进行调整。通常的模拟量采样的方式有两种：静电电容式和压电电阻式的更有优势，而前者在低功耗方面更具优势，消耗电流更低。硅电容加速传感器的元件是由单晶硅和玻璃做成的。这种设计能确保相对于时间和温度的例外的可靠性、准确性和稳定性。通常一个 1g 的元件能承受多于 40 000g 的加速度 (1g = 地球自由引力的加速度) 。

我们知道，芯片内部布线的可靠性远远高于印刷电路板上的焊接布线，而半导体制造工艺和封装技术都为 MEMS 器件提供了安全保护。本身内在的高可靠性对于诸如汽车系统和家电产品中，电子系统必须在一个机械振动特别大的环境中工作可靠。同时，批量制造使得 MEMS 组件的成本通常远远低于高精度的庞大的机械组件，通常情况下机械组件是系统中成本最高的元件。因此，MEMS 技术可让很多应用有机会实现更高性价比和更高可靠性。

下面谈一下目前这一领域应用较广的几家 3D-MEMS 加速度传感器产品

1、飞思卡尔半导体的基于 MEMS 的三轴向低重力加速计 MMA7260Q。MMA7260Q的可选灵敏度允许在1．5 g、2 g、4 g和6 g 的不同范围内进行设计，具有 3μA 睡眠模式、500μA 低运行电流、1．0 ms 的快速启动响应时间以及 6 minx6 mm×1．45 mm 的 QFN 小巧包装等其它特性。

2、意法半导体的三轴加速计 LIS3L02，集成了基于MEMS的传感器和一个接口芯片的三轴线性加速计。LIS3L02目前有三种版本：LIS3L02A提供一个模拟输出；LIS3L02P提供一个模拟电压输出和脉宽调制输出（PWM）；LIS3L02D提供一个串行数字I2C输出。各种类型产品都工作在一个3.3-5V电源上，等效噪声加速度优于5亿分之一g （g = 重力加速度）。在携带和工作过程中，可以承受最大加速度 1500g，而不会损坏，这一特性足以抵抗移动电话应用中的震动。 LIS3L02基本特性如下：工作电压 2.4V-5.25V，灵敏度在总精度 ±10% 内可调整，X 轴和 Y 轴的带宽最大为 4.0kHz，采用  技术，能把电容变化转换成模拟输出和SPU以及I2C串行输出，在 100Hz 带宽内等效噪音加速度优于 500 x 10-6 g，能经受高达 3000g的振动和震动，工作温度从-40度到-85度，SMD封装。

3、芬兰 VTI 的 3D-MEMS 加速度传感器 SCA610，采用单晶硅结构，无塑性变形，承受力 70000 g，电容式感应原理，基于电容器极板间距的较大变化，偏移的直接测量，电容器的电容和电荷存储能力取决于两个极板的间距和板面积 A ：C = e0 * A/d，使用有限数量的电容器，就能得到高精度和稳定性，并且便于判断。温度系数低于 0.2 mg/oC，非线性度低于 1%，横向灵敏度低于 3% 。SCA610 由一个 8 引脚双列直插的塑料SMD永久模板构成。引架材料是 CuFe2P 镀镍和金。

关于SCA610的应用：引脚1，3和5仅为工厂使用。引脚2(C1) 可用于连接在引脚 2 和引脚 7 之间外接电容的频率设置。这需要一个特殊的模编程在加速传感器中。引脚 4 是地(GND)。如果它不在使用，引脚 6(ST) 上的自动测试输入应该让其浮动。引脚 7(Vout) 是模拟信号输出口，引脚 8(Vout) 是供电电压。可将引出头1，2，3和5连接在一起。

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对设备在三维空间中的运动进行测量及智能处理的运动处理技术，将是下一个重大的革命性技术，会对未来的手持消费电子设备、人机接口、及导航和控制产生重大影响。

这场变革的推动力量是基于微机电系统(MEMS)的消费级惯性测量单元(IMU)。与六轴运动处理技术相结合，这些器件可为手持消费电子产品的导航和控制提供更简单并符合直觉的用户接口，从而解决这些复杂设备使很多用户感到困惑的操作复杂性问题。

这种基于MEMS运动处理的六轴控制得以实现的关键器件是最近推出的体积更小、成本更低、性能更高、可与现有的三轴MEMS加速度计相结合三轴MEMS陀螺仪。

本文将给出一个六轴运动处理方案，并探讨把这种技术整合到日用消费电子系统中时需要考虑的关键问题。在使用六轴运动处理实现新的设计时，确保符合本文给出的四个关键因素可提高整合效率，并使最终的用户设备具有卓越的性能。

运动处理应用

在电子娱乐展览会(E3)上，三大游戏机品牌都展示了为其当前或下一代系统开发的运动驱动型人机接口，其中，任天堂率先宣布在Wii MotionPlus的配件中包含六轴运动处理方案。一些游戏软件开发商迅速推出了可利用六轴运动处理功能的新游戏：任天堂将在2009年7月推出Wii Sports游戏的续篇Wii Sports Resort。早期的产品评估显示，使用运动处理技术实现的屏幕游戏控制对控制器运动有较高的跟踪精度，并实现了1:1跟踪。

由于消费者已接受了三轴加速度计所提供的新特性，手机将是运动处理的下一个前沿领域。苹果公司的iPhone就是一个很好的例子。目前，苹果在继续开发独特的运动传感应用，包括为其iPhone3.0增加在复制和粘贴过程中通过晃动撤消操作的shake-to-undo(晃动撤消)功能等。向未来的手机和其它手持消费电子系统增加六轴运动处理可以以更高的精度、准确度和反应能力向软件开发商提供手机在三维空间的绝对位置，进而使之具有控制台游戏性能。

这是一个快速变化的环境，在过去，带有传统的按钮和滑轮的产品率先上市曾经是设计取胜的关键；而今，成功将取决于谁可以创造出最有吸引力的用户体验，因为依靠六轴运动处理，复杂的控制和导航指令现在可用普通的手势动作来执行。

运动处理方案

提供运动处理能力的关键技术，就是传统上用于测量绝对旋转速率的陀螺仪。振动质量陀螺仪利用科氏加速度在一个结构的两个共振模式之间产生的能量传递，科氏加速度出现在旋转参照坐标系中，并与旋转角速度成正比，参见图1。陀螺仪通过测量科氏加速度来获得角速度(Ω)。

图1：科氏加速度出现在旋转参照平面中，与旋转速率成正比。

振动调谐音叉质量陀螺仪通常包含一对振幅相等、方向相反的振动质量块。当陀螺仪旋转时，科氏力引起与旋转角速度成正比的正交振动力。好的陀螺仪设计应具有较高的科氏加速度和较低的机械噪声。要获得较大的科氏加速度要求惯性质量具有较高的速度(这个速度是在静电力驱动下产生的)，要获得高灵敏度要求集成电路(IC)放大倍数较低以降低噪声。

虽然加速度计可为简单的方位和倾斜应用提供基本的运动传感，但在光学图像稳定(OIS)等更复杂的应用中，却存在一些影响加速度计操作和性能的限制。加速度计只能提供线性和向心加速度、重力和振动的总和。需要增加陀螺仪才能提取加速度的线性运动信息的某个分量。在运动处理方案中，陀螺仪必须精确地测量角速度旋转运动。

为校正加速度计的旋转误差，一些厂商使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传感功能。这些器件确定手持设备相对于磁北方向的旋转运动，并通常用于调整地图的显示方向以使之与用户当前面对的方向相对应。磁力计无力实现快速旋转测量(大于5赫兹)，而且，在存在外部磁场时(如存在扬声器、音频耳机)，甚至当设备周围存在铁磁材料时，数据易于受到污染。陀螺仪是唯一提供准确、无延迟的旋转测量，且不受磁、重力或其他环境因素的任何外力影响的惯性传感器。

基于硅MEMS的技术不但带来了可满足消费电子产品成本要求的新型MEMS陀螺仪，而且有望达到具有挑战性的每轴低于$1.00美元的行业成本目标，另外，这种新型陀螺仪也满足手机、游戏控制器、遥控器和便携导航设备对封装尺寸和旋转传感精度的要求。体积小、性能高、成本低的MEMS陀螺仪及其配套的MEMS加速度计已经使运动处理方案成为现实。

既需要陀螺仪，也需要加速度计

要满足最终用户的功能预期，需要获得三轴旋转运动和三轴直线运动的信息。一个常见的误解是，要使手持系统具有运动处理功能，工程师需要加入陀螺仪或加速度计，即只需二选一。确实，已经有业界分析师提出这样的问题，“哪一个将在运动传感器竞赛中获胜？”

事实上，要准确地描述线性和旋转运动，需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用陀螺仪和加速度计的方案。

在跟踪倾斜和旋转运动时，加速度计在设备不运动时提供更准确的加速度测量，而MEMS陀螺仪在设备运动时测量精度更高。如图2所示，传感器融合算法通常用来把加速度计和陀螺仪的数据相结合，从而在较宽的频带内实现准确的旋转测量。


图2：传感器融合算法把加速度计和陀螺仪的数据相结合，可覆盖更宽的运动信号频率范围。

选择适当的运动处理方案需仔细分析多种因素，包括设备的满量程范围、灵敏度、偏移性能、噪音、交叉轴灵敏度，以及温度、湿度和机械加速度震动对产品的影响。接下来我们着重讨论在消费电子系统中联合使用这些传感器时需要考虑的四个关键因素。

john_wang

MEMS是英文Micro Electro Mechanical System的缩写，是指采用微型制造工艺及尺寸的电子和机械部分整合在单一芯片中的系统。

意法半导体（ST）公司的MEMS产品包括加速度传感器和陀螺仪、压力传感器以及MEMS的麦克风等。

ST的加速度传感器属于电容式，因此具有反应速度快、分辨率较高的优点，在加速度作用下，移动片与固定片的距离发生变化，从而导致电容值变化，最后输出电压发生改变，其改变与加速度成正比。

THEMLA工艺流程

ST的MEMS工艺采用THEMLA流程，即THick Epitaxial Layer for Micromotor and Accelerometer(微电机和加速度计的厚外延层)，它可以分为六个步骤：生长一层硅；在硅上生长氧化层；在氧化层上蚀刻小孔用于生成固定点；在氧化层上生长15um厚的外延层；进行深度蚀刻，形成电容极板；最后移除氧化层，完成机械部分。

众所周知，温度对电容值的影响非常大，ST公司采用了专利的蘑菇形结构提高温度稳定性。该技术主要是通过将多个接触点变为一个中心点接触的方法，减少外部温度对MEMS的影响。图4可以看出其平均漂移小于1mg/℃。

ST的加速度传感器可以承受连续0.1ms、10000g的加速度，以及0.5ms、3000g的加速度，物体从1米高掉到水泥地面上所承受的加速度大概是2000g，由此可以看出ST的MEMS器件具有良好的机械抗震性，可以说是“百摔不坏”。

MEMS产品的流片、测试、封装全部由ST公司自行完成，并且在出厂之前进行产品的测试和校正，保证产品性能的一致性。由于ST公司控制了整个的生产过程，从而可以保证供货的连续性。

ST的加速度传感器产品有SOP、QFN和LGA等封装，有模拟输出和数字输出两种，其中模拟输出的产品包括2轴和3轴的传感器，数字输出的目前仅有3轴产品，2轴传感器即将推出。对于手持设备推荐使用体积小的LGA封装，如LIS3L02AL和LIS2L06AL分别为3轴和2轴的加速度传感器。

以ST公司推荐手持设备使用的LIS302DL产品为例，它具有超小型LGA封装，大小为3x5x1mm，输出接口可在SPI、I 2 C间任选；具有内置的自检测功能，功耗小于1mW，内置了高通滤波器，应用灵活；具有两个独立的可编程中断信号输出，能够进行自由落体检测，以及唤醒功能/旋转检测。

总之，ST加速度传感器是全系列塑胶封装，传感器和接口封装在一个芯片内，具有蘑菇形电容传感器结构，同时ST具有世界上第一条8英寸的MEMS生产线，具有较大产能，能够提供稳定连续的低成本供货。

加速度传感器的应用

加速度传感器广泛应用于便携设备、家电、汽车电子以及消费类产品中，在手持设备中可用于硬盘保护、地图/文件浏览导航/图片位置自动调节等功能。

最常见的应用是图片位置的自动调整，在手持设备转动时，图片的显示也随着发生旋转，保证最佳的观察角度。

在图片/地图浏览中可以把屏幕作为一个取景器，用户移动屏幕即可查阅地图，或者在把终端移近或移开时，可以放大或缩小地图。当旋转终端时，地图仍然保持水平，确保最佳的视觉效果。

在游戏用户界面方面可以用于方向迷宫类游戏的旋转方向控制，赛车类游戏的方向控制、加速刹车以及画面大小的控制，3D类游戏人物的移动，可以通过用户自定义接口实现不同动作映射不同的功能。


GPS系统在山洞、地下或建筑物内可能会收不到信号，可以借助于加速度传感器了解位置数据，指出用户方位。

另外一种手机中的应用是计步器，原理是Z轴运动确定跑的步数，通过跑过的步数乘以平均步长，得到跑步距离，知道了体重，即可算出跑步所消耗的热量。
在手机或者MP3中，微型硬盘驱动器HDD的应用越来越广泛，采用ST的MEMS传感器可检测振动和自由落体，停止硬盘磁头读写并固定磁头，从而防止冲击力损坏磁头/媒质。


问答选编

问：在PDA上应用MEMS技术，工艺上有什么严格的要求?布局是否有走线要求?
答：有要求。对于MEMS加速计，请遵循下述指导原则：
1．建议您不要在传感器下面和距离传感器不到2mm的地方设置通孔。
2．连至焊点的迹线应尽可能地对称。焊点连接的对称和均衡会将元件旋转降至最低水平。
3 ．为了降低高频噪声，建议您使用100nF的陶瓷或聚酯电容器，并将其置于尽可能靠近器件Vdd导线的地方。要过滤频率较低的噪声，则应在靠近器件 、平行于前一个电容的位置上安装一个10μF（或 更高）的铝电容器。
4 ．建议您将传感 器安装在尽可能靠近待测目标/ 系统质心的地方，如果目标在下落过程中发生了旋转，就可以消除感应到的向心加速度。这条建议对于下落过程中会出现旋转的小器件而言具有 重要意义。
问：为什么蘑菇形结构能提高温度的稳定性？
答：采用旧的结构，我们具有五个定位点，它们将基片与传感器连在了一起。以温度为例：右边与左边可能就有不同的温度读数，这种温度将会影响零补偿和灵敏度。而采用新结构，我们在中心部位仅有一个点，温度感应分布将会均匀的传到传感器。
问：请问ST的加速度传感器是否集成温度传感器？能否进行温度补偿？除了温漂补偿还有哪些参数需 要校正？
答：没有集成温度传感器，ST的加速度传感器温度平均 漂移< 1 mg/℃，部分器件的温度 平均漂移< 0.mg/℃， 因此不需要进行温度补偿。
ST的加速度传感器在出厂之前都会进行校正，原则上客户不需要自己校正，如果客户有特殊的应用， 要求很高的精度，可以对零g的输出值以及灵 敏度 进行校正。
问：对于手持设备，PDA怎样辨别用户手持的水平轴的变化？比如计步时，用户是否必须保持在同一轴方向运动，XYZ轴的运动方向改变时，计数是否正常？
答：ST的研发中心已经为一些日本客户开发了参数算法。通过利用3轴MEMS，用户无须将便携器件固定在一个特定的位置。
问：请问何時需用2DMEMS加速器，何時需用3D MEMS 加速器？
答：需要用到3D加速器的应用主要有：
1 .硬盘跌落以及振动保护（笔记本电脑、带硬盘的 PDA、手机）
2.计步器，使用3轴的加速器有更好的精度
3.GPS辅助导航
4.3D游戏
5 .需要用到运动轨迹识别的应用，比如机器人、MEMS鼠标等等
问：装在手机中的计步器是采用哪种类型的MEMS？ 是2D还是3D?
答：计步器采用加速度传感器，有使用2轴的也有使用3轴的，3轴的计步可以更加精确，如果是主推计步器概念的手机，建议使用3轴的加速度传感器。
问：在将MEMS用于便携式器件时，我们所需考虑的重 要因素有哪些？
答：需要考虑的主要因素如下：
1.低功耗，可以延长电池寿命
2.更宽的工作电压，如2.16V-3.6V
3.良好的灵敏度
4.良好的0g补偿
5.良好的温度稳定性
问：数字输出与模拟输出的优势及各自的使用范围？
答：数 字输出和模拟输出最大的不同点就是数字输出内置A/D转换，输出的信号是I 2 C或SPI的，而模拟的是没有内置A/D转换的，输出的信号就是与加 速度成正比的电压值，用户需要使用外接的A/D转换芯片对模拟信号进行转换。当然，数字输出芯片的价 格比模拟的要贵一些，但会低于模拟输出加A/D 转换芯片的价格 ，数字的因为内置了A /D 转换而且有中断信号输出， 可以降低功耗。
问：请 问如何用加速度传感器测量倾斜?假设在既倾斜 又振动的前提下如何进行测 量？在全温度范围内测 量精度为多少?
答：1.在测量倾斜时，您可以参照下面这个公式：
Angel=arcSin(Gx/G)。其中，Gx 是在X轴上的感应加速度，G 为地球引力。
2.在振动期间，振动也会影响实际角的值。角的测量是不精确的。
3. 以LIS3L02AL为例，在 -40℃ ~ 85℃的完整温度范围上的公差为+/-0.5mg/ ℃。
问：二维的MEMS产品能否在汽车上应用，如检测汽车的前进和后退？二维和三维产品在价格上有何差异？
答：二维的MEMS可以检测汽车的前进和后退，二维一般比三维的便宜20%-40%。
问：MEMS对动态和静态的方位测试有何不同？
答： ST3轴MEMS集成了低通滤波器以及高通滤波器。在动态控制下，您可以开启高通滤波器摇动/振动/唤 醒检测，这对于旁路DC元件有益。
对于像倾斜/坠落/纵向-横向转换的静态控制，您不应开启高通滤波器,低通滤波器将会拒绝高绝噪声。

john_wang

产品中要增加G-Force功能，采用了CMA3000-D0X三轴加速计，这里记下几点。

一、CMA3000-D0X的I2C默认地址，7位表示是0x1c，和读/写位组合成8位来表示是0x38（写）/0x39（读）。
二、CMA3000-D0X的I2C支持400K和100K，相比于其它I2C器件对于I2C读时的“restart”状态要求较严格（是其它I2C器件把条件放松了），具体是在“restart”（SCL高时SDA由高跳到低）之前SCL的高电平持续时间最好满足大于5us（Tsu,sta中一部分）。若不注意，它造成的直接后果是CMA3000-D0X对跟在“restart”之后的读地址（0x39）没有ACK。
三、CMA3000-D0X上电后处在省电模式，此模式下不会产生中断。要产生中断须要去设下CTRL（0x2）寄存器。
四、手册中经常出现的g，不是克而是重力加速度9.8m/s^2。X和Y方向上DOUT#寄存器读出值就是实际加速度值，但Z方向上是经过芯片内部修正的（加了1g，即加了9.8m/s^2），又由于芯片默认放置下Z正方向和地球引力方向相反，应而当设备作理想状态下自由落体时DOUTX、DOUTY和DOUTZ读出值都是0，也就是datasheet上写的，During free-fall in the gravitaion field, all 3 orthogonal acceleration components are ideally equal to zero.

lixiaohai8211

这个很不错啊

banana

呵呵 学习一下 ：）

David_Lee

真详尽，

FreeBlues

记录学习

cdwda

学习一下。谢谢LZ

sensorexpert

需要收藏一下，楼主介绍的太详细了，CMA3000是针对小尺寸，低价格。低功耗的需求设计出来的，大部分都是用在消费产品上面。

[ 本帖最后由 sensorexpert 于 2012-7-24 11:05 编辑 ]

yanjianguo

mark 一下，