Характеристики акселерометров

Акселерометр как прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Характеристика микросхемы ADXL150. Основные особенности интегральных и пленочных пьезоэлектрических акселерометров. Анализ конструкции датчика ускорения микросхемы семейства XMMA.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

акселерометр пьезоэлектрический микросхема

Прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разность между абсолютным ускорением объекта и гравитационным ускорением, точнее ускорением свободного падения) называется акселерометр. Существуют трёхкомпонентные (трёхосевые) акселерометры, которые позволяют измерять ускорение сразу по трём осям.

Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя, при регистрации амплитуд выше собственной резонансной частоты можно измерять непосредственно собственную скорость акселерометра.

Электронные акселерометры часто встраиваются в мобильные устройства (в частности, в телефоны) и применяются в качестве шагомеров, датчиков для определения положения в пространстве, автоматического поворота дисплея и других целей.

В устройствах управления игровых приставок акселерометр совместно с гироскопом используются для управления в играх без использования кнопок -- путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутствует акселерометр.

Акселерометры используют в жестких дисках для активации механизма защиты от повреждений, полученных в результате ударов, встрясок и падений. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.

Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

Интегральные акселерометры. Общие сведения

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл. 1. На рис. 1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена-качество».

Рис. 1. Диаграмма «цена-качество» для различных типов акселерометров

Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические акселерометры

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия , и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения -- схемы управления надувными подушками безопасности.

Объемные интегральные акселерометры

Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor , предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом (рис. 2). Тремя тонкими кремниевыми балками c, d и e, имеющимися в пластине 1, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой b на пластине 2. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края (точки f на рис. 2). Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему.

Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки c, d, e и вызывая деформацию пьезорезисторов.

Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.

Рис. 2. Интегральный акселерометр объемной конструкции

Поскольку к надежности системы управления надувными подушками безопасности предъявляются чрезвычайные требования (представьте себе последствия ложного срабатывания подушки безопасности на оживленной автостраде при скорости 150 км/час), датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины 1, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомобиля с препятствием.

Рис. 3. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения

Микросхема датчика не содержит схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика отличаются тем, что NAC-203 содержит встроенные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную подстройку чувствительности и температурной коррекции в процессе производства, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота приборов, смонтированных в полном соответствии с рекомендациями изготовителя, -- не менее 10 кГц.



Рис. 4. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50

Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом -- схема обработки сигнала.

Зарядные/пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрические акселерометры используют пружинно-массовую систему для генерации силы, эквивалентной амплитуде и частоте вибрации. Эта сила прикладывается к пьезоэлектрическому элементу, который создает на своих выходах заряд, пропорциональный вибрационному перемещению. Уникальная конструкция пьезоэлектрических акселерометров компании Bruel&Kj?r обеспечивает одновременно высокий сейсмический резонанс и прочность, поэтому акселерометры данного типа являются универсальными акселерометрами общего назначения. Их исключительные высокочастотные характеристики также идеально подходят для измерения высокочастотных вибраций: например, при анализе шума редуктора или мониторинге турбины высокоскоростного ротационного оборудования. Пьезоэлектрические материалы являются самогенерирующими, и поэтому не требуют внешнего источника энергии.

Они способны работать при экстремальных температурах, но их отличает низкая выходная чувствительность (что характерно для конструкции пружинно-массового датчика). Поскольку большинство высокочастотных акселерометров являются недемпфированными, высокочастотные гармоники конструкции могут вызвать «звон» акселерометра и привести к перегрузке в последующих электронных схемах. Поэтому резонансная частота акселерометра должна быть достаточно высокой, чтобы быть выше высокочастотных сигналов, присутствующих в конструкции

IEPE-акселерометры...