Журнал "Новости Электроники", номер 5, 2007 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 5, 2007 год.Инерциальные МЭМС-датчикиАлександр Маргелов Емкостные инерциальные датчики ускорения обладают самой высокой точностью измерения и наилучшими потребительскими характеристиками по сравнению с механическими и пьезоэлектрическими аналогами. Сфера их применения включает промышленную электронику, автомобильную электронику, охранные системы, медицинское оборудование. Статья знакомит с принципом действия и достоинствами современных МЭМС-акселерометров компании Freescale Semiconductor.     УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Акселерометры имеют достаточно давнюю историю развития, и наиболее естественной идеей является построение акселерометров на механических принципах. Инерциальная масса смещается под действием ускорения и воздействует на тензодатчик. Такие устройства достаточно объемны, имеют низкую воспроизводимость, плохую устойчивость к ударным воздействиям и малую долговечность, что характерно для чисто механических устройств. Значительно лучшими параметрами обладают пьезоэлектрические датчики ускорения, в которых физическая деформация кристаллической структуры приводит к изменению ее проводимости. Однако наилучшими характеристиками обладают емкостные полупроводниковые датчки, в которых параллельно движущиеся пластины образуют переменный конденсатор. Преимущества датчиков такого типа, в которых сочетаются достоинства интегральной технологии и емкостного метода измерения, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Преимущества емкостных полупроводниковых датчиков  Преимущества полупроводниковых
датчиков
Преимущества емкостного метода
измерения
Низкая стоимость благодаря массовому производству Высокая линейность Возможность осуществления дополнительных функций (самотестирование, изменение диапазона измерения) Высокая чувствительность Высокая воспроизводимость Легко осуществимые самокалибровка и самотестирование Высокая стойкость к ударным воздействиям и перегрузкам Легкая реализация цепей обратной связи Функциональная законченность (сенсор и схема обработки на одном кристалле) Совместимость с КМОП-технологией Малые габариты Широкий диапазон рабочих температур

Принцип работы емкостного инерциального сенсора показан на рисунке 1.

 

Рис. 1. Структурная схема инерциального датчика

Три пластины образуют последовательное соединение двух конденсаторов. При этом две крайние жестко закреплены, а центральная может смещаться под действием инерциальных сил. Изменение расстояния между пластинами приводит к изменению емкости обоих конденсаторов. Благодаря многолетнему опыту в разработке, производстве и совершенствовании МЭМС-устройств, компании Freescale Semiconductor удалось осуществить такую микромеханическую систему в едином кристалле. Ее конструкция, под названием G-Cell, приведена на рисунке 2. Она включает в себя четыре пластины из поликристаллического кремния, три из которых образуют обкладки конденсаторов, а четвертая используется для реализации функции самотестирования.

Законченный инерциальный датчик Freescale Semiconductor представляет собой не только чувствительный элемент G-Cell, но и интегрированную в тот же кристалл довольно сложную схему обработки сигнала, упрощенный вариант которой приведен на рисунке 3 на примере двухосевого датчика ускорения.

Рис. 2. Конструкция полупроводникового инерциального датчика

В связи с тем, что сдвиг центральной пластины очень мал, таковым является и изменение емкости (порядка 10...15 Ф). Поэтому лучше измерять разницу между емкостями двух конденсаторов. Ток подается поочередно на каждый из конденсаторов сенсора G-Cell в течение фиксированного временного интервала. При этом напряжение на выходе интегратора, обратно пропорциональное емкости конденсатора, фиксируется в блоке хранения и сравнения. Сигнал на выходе последнего пропорционален разности емкостей. Далее сигнал поступает на ФНЧ, который ограничивает его высокочастотные составляющие, и усиливается еще одним усилителем, который одновременно обеспечивает температурную компенсацию. Для примера на рисунке 4 приведена типовая форма импульса на выходе инерциального датчика c номинальным диапазоном ±40 g при ударном воздействии вдоль чувствительной оси. 

  Рис. 3. Упрощенная схема двухосевого датчика ускорения Freescale Semiconductor   

Рис. 4. Типовая форма импульса на выходе инерциального датчика при ударном воздействии (взять из документа по пейджеру)

ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ЛИНЕЙКА

На сегодняшний день производственная линейка датчиков ускорения Freescale Semiconductor насчитывает несколько десятков наименований, перекрывающих диапазоны от ±1,5 g до ±250 g и способных, в зависимости от модели, проводить измерения по одной, двум или трем осям. Датчики имеют стандартный пропорциональный аналоговый выход по напряжению, что очень удобно для подключения к АЦП. Резонансная частота чувствительного элемента много выше частоты среза встроенного ФНЧ, поэтому она никак не влияет на рабочую характеристику датчика.

Одним из достоинств этих датчиков является пропорциональный выход (т.е. выходное смещение при нулевом ускорении и, соответственно, чувствительность линейно изменяются в зависимости от напряжения источника питания). Его наличие очень важно для ответственных применений, например, блока развертывания фронтальных подушек безопасности в автомобиле. Если напряжение питания упадет на 10%, то выходное напряжение датчика должно снизиться также на 10%. Учитывая, что общий бортовой источник питания датчика и АЦП в системе обеспечивает такую пропорциональность, результирующий код ускорения в любой момент времени остается точным. Так, даже если напряжение питания во время столкнования будет изменяться, микроконтроллер все же сможет принять решение о развертывании подушки.

Инерциальные датчики Freescale Semiconductor выпускаются в SOIC- и QFN-корпусах повышенной прочности и герметичности и выдерживают ударные воздействия с ускорением 500g при включенном питании и 2000g без питания.

В таблице 2 приведены основные технические характеристики всех доступных на сегодняшний день акселерометров компании. Первые четыре модели в таблице - новейшие разработки. Их главная особенность в том, что они являются четырехдиапазонными. Нужный диапазон измерения устанавливается подачей определенной комбинации логических уровней на два управляющих входа датчика. При этом он распространяется на все чувствительные оси.

Таблица 2. Основные технические характеристики инерциальных датчиков Freescale Semiconductor

Наимено-
вание Чувстви-
тельные оси Рабочий диапазон, g Чувстви-
тельность, мВ/g Полоса
частот, Гц Uпит,
В Iпит, мА Траб, °C Тип
корпуса MMA7260Q XYZ ±1,5; 2,0; 4,0; 6,0 задаются пользова-
телем 800; 600;
300; 200
зависит от диапазона XY: 350
Z: 150 2,2...3,6 0,5 -20...85 QFN16 MMA7261Q XYZ ±2,5; 3,3; 6,7; 10 задаются пользова-
телем  480; 360;
180; 120
зависит от диапазона XY: 350
Z: 150 2,2...3,6 0,5 -20...85 QFN16 MMA6270Q XY ±1,5; 2,0; 4,0; 6,0 задаются пользова-
телем 800; 600;
300; 200
зависит от диапазона XY: 350 2,2...3,6 0,5 -20...85 QFN16 MMA6280Q XZ ±1,5; 2,0; 4,0; 6,0 задаются пользова-
телем 800; 600;
300; 200
зависит от диапазона X: 350
Z: 150 2,2...3,6 0,5 -20...85 QFN16 MMA6260Q XY ±1,5 800 50 2,7...3,3 1,2 -20...85 QFN16 MMA6261Q XY ±1,5 800 300 2,7...3,3 1,2 -20...85 QFN16 MMA6262Q XY ±1,5 800 150 2,7...3,3 2,2 -20...85 QFN16 MMA6263Q XY ±1,5 800 900 2,7...3,3 2,2 -20...85 QFN16 MMA2260D X ±1,5 1200 50 5,0 ±0,25 2,2 -40...105 SOIC16 MMA1260D Z ±1,5 1200 50 5,0 ±0,25 2,2 -40...105 SOIC16 MMA1270D Z ±2,5 750 50 5,0 ±0,25 2,1 -40...105 SOIC16 MMA1250D Z ±5,0 400 50 5,0 ±0,25 2,1 -40...105 SOIC16 MMA1220D Z ±8,0 250 250 5,0 ±0,25 5,0 -40...125 SOIC16 MMA6231Q XY ±10,0 120 300 2,7...3,3 2,2 -20...85 QFN16 MMA6233Q XY ±10,0 120 900 2,7...3,3 2,2 -20...85 QFN16 MMA3201D XY ±40,0 50 400 5,0 ±0,25 8,0 -40...125 SOIC16 MMA2201D X ±40,0 50 400 5,0 ±0,25 5,0 -40...125 SOIC16 MMA2202D X ±50,0 40 400 5,0 ±0,25 5,0 -40...125 SOIC16 MMA3202D XY ±20/±100 19/38 400 5,0 ±0,25 8,0 -40...125 SOIC16 MMA2204D X ±100 20 400 5,0 ±0,25 5,0 -40...125 SOIC16 MMA1213D Z ±50 40 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 MMA1210D Z ±100 20 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 MMA1211D Z ±150 13 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 MMA2301D X ±200 10 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 MMA1212D Z ±200 10 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 MMA2300D X ±250 8 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 MMA1200D Z ±250 8 400 5,0 ±0,25 4,5 -40...125 SOIC16 ПРИМЕНЕНИЕ

Среди многочисленных автомобильных применений акселерометров наиболее типичным является система воздушных подушек безопасности. В таких системах акселерометры применяются, чтобы определить серьезность аварии и необходимость развертывания подушки. Вместе с этим акселерометры могут использоваться, чтобы определить рыскание автомобиля, движение под большими уклонами или потерю тяги. В этом случае датчики устанавливаются на передаче, рулевой тяге и колесах автомобиля. При потере тяги или управления автомобилем, микроконтроллеры используют данные акселерометров, чтобы определить направление и положение автомобиля и внести коррективы. Еще одним очень распространенным применением в автомобильной области являются противоугонные системы, в которых инерциальные датчики детектируют качание и удары по охраняемому автомобилю.

Несмотря на то, что основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, эти датчики все же больше чем акселерометры. Способные измерять наклон, движение, положение, силу ударов и вибрацию, они осуществили прорыв во многих других отраслях, среди которых бытовая, промышленная, компьютерная, геодезическая, строительная и медицинская техника:

Автомобильная электроника:

Подушки безопасности;Датчики критического крена;Краш-тесты;Динамический контроль;Тормозная система;Противоугонная система;Адаптивная подвеска.

Промышленная/гражданская электроника:

Инклинометры;Защита жестких дисков PC;MP3-проигрыватели;Электронные компасы;Эргономичный инструмент;Стабилизаторы изображения;Прокрутка текста в PDA;Манипуляторы для систем виртуальной реальности;Охранные системы;GPS-навигаторы;Логгеры событий/черные ящики;Контроль погрузки/выгрузки товара;Ударные выключатели;Акустическое оборудование;Контроль осанки;Сейсмографы;Робототехника.

Медицинская/спортивная электроника:

Физиотерапевтическое и реабилитационное оборудование;Шагомеры;Спортивно-медицинское оборудование;Спортивное диагностическое оборудование.  

Рис. 5. Свойственные различным применениям рабочие диапазоны акселерометров Freescale Semiconductor

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ

Для быстрой оценки характеристик той или иной модели инерциального датчика, а также ускорения выхода продукта на рынок, Freescale Semiconductor предлагает целое семейство демонстрационных и отладочных модулей, а на сайте компании можно найти множество готовых решений для реализации самых распространенных применений (измерение ударов, вибраций и крена) со схемотехнической и программной поддержкой. Для ознакомления в таблице 3 приводятся несколько вариантов оценочных модулей.  

Таблица 3. Популярные средства отладки для инерциальных датчиков Freescale Semiconductor

KIT3109MMAx2x0Q RD3112MMA7260Q RD3152MMA7260Q Данная плата предназначена
для оценки характеристик и разработки устройств с использованием инерциальных датчиков в корпусе QFN16 с переключаемыми диапазонами измерения MMA7260Q, MMA7261Q, MMA6270Q и MMA6280Q. Отладочный модуль STAR с интерфейсом RS-232 в комплекте с программным обеспечением для РС дает пользователю дополнительные возможности в визуальной оценке ключевых характеристик трех-осевого акселератора MMA7260Q и в ускорении проектирования. Беспроводной модуль ZigBeeTM отладочный модуль ZSTAR с USB интерфейсом представляет собой улучшенную версию популярного модуля STAR, предназначенного для визуализации характеристик и отладки устройств с применением трех-осевого акселерометра MMA7260Q.

ЛИТЕРАТУРА

1. Д.И Панфилов, В.С.Иванов. Датчики фирмы Motorola.

2. Sensor devices databook.//

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.