Akcelerometry, tedy senzory zrychlení, se v dnešním robotizovaném světě využívají stále více. Proto nikdo nechce v této oblasti "zaspat" a firmy neustále vyvíjejí nové nebo vylepšují stávající funkční struktury pro vylepšení vlastností senzorů. Například v nabídce firmy Freescale lze v letošním roce nalézt zcela novou řadu 3D MEMS akcelerometrů MMA 73xxL, které se vyznačují zlepšenými dynamickými vlastnostmi při menších rozměrech. Dále v článku najdete nejen popis jejich vlastností, ale také struktury a funkce.
Možnosti použití 3D MEMS akcelerometrů
- Měření sklonu či naklonění ploch a předmětů
- Monitorování pohybu předmětů při přepravě
Zabezpečovací zařízení - Detekce a monitorování nárazů a vibrací
- Měření zrychlení - akcelerace
- Měření brždění
- Detekce a měření pádu
- Měření otřesů
- HMI rozhraní, ovádání multimediálních systémů
- Měření a předpovídání seismické aktivity
- Trakční a bezpečnostní systémy automobilů
- apod.
Obr. 1. Možnosti použití akcelerometrů dle snímacího rozsahu
Mechanická struktura
Struktura a funkce MEMS akcelerometru je založena na proměnné kapacitě tříelektrodového vzduchového kondenzátoru. Využívá se zde známé nelineární závislosti kapacity C na vzdálenosti elektrod kondenzátoru d (velikosti vzduchové mezery) dle vzorce C = ? . S / d (? = konstanta, S = plocha elektrod). Pokud tedy jednu elektrodu uděláme pohyblivou a její pohyb bude závislý na působícím zrychlení, získáme kapacitní akcelerometr. A protože taková struktura pohyblivých nosníčků (elektrod) je snadno realizovatelná MEMS technologií, vznikne nám MEMS akcelerometr. Výsledná funkční struktura ovšem není zas tak jednoduchá, jak se na první pohled zdá. Hlavní je právě zajistit lineární a dostatečně citlivý převod zrychlení na mechanický posuvný pohyb. Ten totiž určuje samotný měřící rozsah senzoru, tj. maximální a minimální měřitelné zrychlení. |
Obr. 2. Základní princip MEMS akcelerometru |
Zde se vychází ze základního vztahu pro působení síly při zrychlení F = m . a, kde F je síla vzniklá působením zrychlení a na hmotu m (Seismic mass). Síla se pak přes pružiny (Spring suspension) převádí na posuv nosníčku (Seismic mass), jejíž některé části tvoří pohyblivé elektrody vzduchového kondenzátoru (Moving finger). Jejich pozice vůči levým pevným elektrodám (Left fixed fingers) a pravým pevným elektrodám (Right fixed fingers) určuje elektronicky měřenou hodnotu kapacity takto vzniklého kondenzátoru.
Obr. 3. Schématicky znázorněná mechanická MEMS struktura akcelerometru
Nosníková struktura (Seismic mass) a pružiny se vyrábí leptáním polykrystalického křemíku (polysilicon), přičemž s postupným vývojem dochází k postupnému protahování pohyblivých elektrod ve směru kolmém na měřenou osu z dřívějších jednotek mikrometrů až na desítky mikrometrů. Díky tomu je možné několikanásobně protáhnout délku elektrod a tím získat lepší odstup signál/šum, menší křížovou citlivost (např. vliv zrychlení v ose X na osu Y) a hlavně odezvu na změnu velikosti zrychlení. Do budoucna se již také počítá nahrazením polySi krystalickým křemíkem.
Obr. 4. Detailní záběry na reálné provedení jednotlivých částí struktury - pevných a pohyblivých elektrod (electrodes), detekční hmoty (mass), pružiny (sping) a samotestovací strukturu (seft test)
Výše uvedená a popsaná struktura však umožňuje měření zrychlení jen v jednom směru kolmém na pohyblivé elektrody = 1D akcelerometry. Technologicky vcelku není problém na chipu přidat další stejnou strukturu pouze proti té předchozí pootočenou o 90°. Vznikne tak 2D akcelerometr, který například měří v osách XY nebo XZ, dle natočení senzoru. Složitější je již vytvořit jednochipový 3D akcelerometr, protože se musí přidat výškově pohyblivá struktura v ose Z.
Obr. 5. 3D struktura akcelerometru (měření zrychlení v osách X, Y, Z)
Elektrická struktura
Celá ASIC elektronika, která měří změnu kapacity, převádí ji na změnu napětí a zpracovává takto získaný signál na standardní linearní napěťový výstup, je implantována pod snímacím elementem (Sensing element) překrytého krycí "kopulí" (Wafer cap). K měření kapacity se využívá metody spínaných kondenzátorů řízené číslicovou logikou a generátorem spínacího hodinového signálu. Dochází tak k převodu změny kapacity na změnu napětí. To je následně linearizováno a filtrováno opět obvody se spínanými kondenzátory a nakonec se provádí kompenzace vlivu teploty. Výsledkem je lineární, zesílený a kompenzovaný napěťový signál s definovanou převodní konstantou - citlivostí podávající informaci o kolik se musí změnit hodnota měřeného zrychlení, aby došlo ke změně výstupního napětí o 1 V (hodnota g/V). Vše se provádí zvlášť pro každou osu snímání (kanál). |
Obr. 6. Struktura spojení snímače a ASIC elektroniky |
Obr. 7. Blokové schéma elektrické struktury 3D akcelerometru
Vlastnosti nových 3D akcelerometrů MMA73xxL
Od letošního jara 2007 jsou v nabídce firmy Freescale nové akcelerometry řady MMA73xxL, které využívají vylepšenou MEMS strukturu zajišťující nejen zároveň měření v osách X, Y i Z, přepínatelný rozsah a vysokou citlivost, ale hlavně krátkou reakční dobu a větší max. frekvenci otáčení okolo os (Rolloff frequency) při malinkých rozměrech pouzdra LGA. Analogové výstupy jsou doplněny logickým výstupem detekující nulové zrychlení 0 g. Selftest umožňuje kdykoliv otestovat funkčnost senzoru. Měřící rozsah se přepíná logickou úrovní na vstupu g-Select.
Vlastnosti:
3D (XYZ) akcelerometr s analogovým výstupem - Přepínatelný rozsah:
- 1.5g / 6g (MMA7360L)
- 3g / 12g (MMA7340L)
- 4g / 16g (MMA7330L)
- Vysoká citlivost:
- 800 a 200 mV/g (MMA7360L)
- 440 a 110 mV/g (MMA7340L)
- 308 a 77 mV/g (MMA7330L)
- Reakční doba: 0.5 ms
- Max. frekvence otáčení okolem os (Rolloff frequency): 400 Hz
- Křížová citlivost: 5 %
- Nelinearita: 1 % z rozsahu
- Měření statické i dynamické zrychlení
- Detekce zrychlení 0 g (Ochrana proti volnému pádu)
Výstupní napětí při zrychlení 0 g: - 1.65 V (MMA7360 a MMA7340L)
- 1.4 V (MMA7330L)
- Odolnost proti přetížení až 5 000 g
- Vstupy - logické:
- nastavení rozsahu (g-Select)
- sleep mód
- self test
- Výstupy:
- signálové analogové napěťové Xout, Yout, Zout
- logický signál - detekce zrychlení 0 g
- Test vlastní funkce (Self-test function)
- Provozní teplota: -20 °C až +85 °C
- Napájecí napětí: 2.2 V ? 3.6V DC
- Spotřeba: 400 ?A, ve sleep módu jen 3 mikroA
- Pouzdro: 14pinové LGA (Land Grid Array)
- Rozměry: 3 x 5 x 1 mm
Přiřazení os měření dynamického zrychlení
Měření statického (gravitačního) zrychlení - výstupní napětí při různém natočení
Závěr
Nové akcelerometry řady MMA73xxL patří svými vlastnostmi k tomu nejlepšímu, co lze v nabídce firmy Freescale a i ostatních výrobců v oblasti senzorů zrychlení najít. Pěkně tak demonstrují neustálý vývoj v této stále žádanější oblasti senzoriky, kde se rok od roku zvyšuje konkurence. To však vede k postupnému snižování cen, což nás, konečné zákazníky a uživatele, vždy potěší. Konkrétně více informací o širokém sortimentu Freescale akcelerometrů MMAxxx a i o zde krátce představených nových MMA73xxL najdete na stránkách firmy Freescale (www.freescale.com nebo www.freescale.cz).
Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz
DOWNLOAD & Odkazy
- Domovská stránka české pobočky firmy Freescale - www.freescale.cz
- Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
- Přímý odkaz na stránky zabývající se akcelerometrem MMA7330L - http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA7330L&webpageId=1084288158625737424209
- Přímý odkaz na stránky zabývající se akcelerometrem MMA7340L - http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA7340L&webpageId=1084288158625737424209
- Přímý odkaz na stránky zabývající se akcelerometrem MMA7360L - http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA7360L&webpageId=1084288158625737424209
- obecný datasheet akcelerometrům řady MMA73x0L (2 strany)
