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。

图1 ST MEMS的加速传感器等效结构示意图（略）

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。

图2 MEMS内部原理图-模拟输出的3轴加速传感器（略）

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（图3右图）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/℃。

图3 蘑菇形结构（略）

图4 温度稳定性曲线（略）

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。

图5 ST的MEMS加速度传感器产品分布（略）

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（如图6所示），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。

图6 自由落体/硬盘数据保护（略）

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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。