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MEMS传感器ADIS16209原理及应用摘要：MEMS传感器作为一种新型的、前景广阔的、用途广泛地传感器，正日益得到各国研究人员的广泛重视。本文在介绍MEMS传感器的特点和种类的基础上，详细介绍了AD公司的MEMS双轴加速度传感器ADIS16209的原理、结构以及使用方法等，并设计了基于ADIS16209的倾角测量仪的原理图及开发电路板。 关键词：MEMS传感器 ADIS16209 倾角测量仪 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0081-03 1、引言 MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，是MEMS器件的一个重要分支。随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成、便于安装调试以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐渐取代传统机械传感器的主导地位，已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。 2、MEMS技术简介 MEMS是英文Micro Electro-Mechanical System 的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS器件是指可以批量制造的，集微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理电路、接口于一体的微型器件或系统。它以硅半导体材料为加工对象，采取专用集成电路制造技术把功能强大、复杂可靠的系统置于一个小小的硅片上，从而极大地拓展了其设计及运用空间。 MEMS 传感器的门类品种繁多， 分类方法也很多。按其工作原理，可分为物理型、化学型和生物型三类。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH 值、离子浓度、生物浓度及触觉等类型的传感器。综合两种分类方法的分类体系如图1所示。 MEMS传感器不仅种类繁多，而且用途广泛。作为获取信息的关键器件，MEMS传感器对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用。MEMS器件自诞生以来，在机械、化工、汽车工业、生物医学、消费电子产品、航空航天以及军事领域等方面得到了广泛的应用。 3、基于MEMS技术的ADIS16209简介 ADIS16209是AD公司生产的一款低功耗双轴加速度传感器芯片，基于ADI公司的iMEMS集成微电子机械系统内核。ADIS16209主要由一个两轴加速度计、一个温度传感器、一个12位辅助模数转换模块（ADC）、一个12位辅助数模转换模块（DAC）、一个报警模块组成。对外接口为SPI接口。传感器感知外界信号后，信号调理并转换，经过信号处理后，将得到的数据结果存入输出寄存器。通过SPI总线，外部SPI主控器件向ADIS16209发送控制命令或者读取。ADIS16209内部有控制寄存器，寄存器都有默认值，通过对寄存器值进行修改，可以改变采样频率、改变平均滤波参数等多个方面的控制效果。每个采样周期结束后，传感器测量结果存放至输出寄存器，并且通过DIO1引脚向外产生一个脉冲，表示一组新的完整的测量数据结果已经准备好，可供外部SPI主控器件读取。当它处于水平安装时，能够在°测量范围内以小于0.1°的误差测量双轴倾斜。由于其工作在双轴模式下，该传感器在全部360度范围内也支持垂直安装的单轴检测。对外数据接口为SPI口。ADIS16209采用3V～3.6V单电源供电，并且能够耐受3500g冲击。该传感器外形尺寸为9.2mm×9.2mm×3.9mm，采用LGA封装，工作温度为-40°C～+125°C。 该传感器内部加速度传感器部分采用热对流技术，结构如图2所示，正方形硅片的中间有一个热源，四周等间距放置4个热电偶。当硅片水平放置时，由于四周关于热源的温度梯度是均匀的，所以4个热电偶的温度相同，输出电压相同。反之，当硅片倾斜时，四周关于热源的温度梯度不均匀，因而输出电压不同。 倾角测量原理如图3所示。线段OA和OB分别在X轴和Y轴上， 且与水平面的夹角分别为和，过O点向水平面作垂线OH，再过O点向平面中的直线AB作垂线，交点为C。由几何关系知， 传感器所在的平面OAB与水平面的夹角就是OCH。 即，只要得到2个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。因此，ADIS16209可以应用于平面的倾角测量。 4、基于ADIS16209的设计与应用 由于ADIS16209双轴加速度传感器的高度集成化，传感器的大部分外围电路都集成在了芯片内部，且可以通过内部寄存器对传感器的工