Русский
Русский
English
Авторизация
Ip-адрес
Восстановление пароля
Регистрация
Статистика
Реклама

МЭМСы. Как устроены современные датчики?

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Сейчас довольно трудно встретить системы в которых не используются датчики, выполненные по данной технологии. Но как устроены современные датчики и какие преобразователи используются для работы с ними? Постараемся детально разобраться в этом вопросе, основываясь на работе современных МЭМС-акселерометров.


Простейший акселерометр, как он работает?


Акселерометр прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Принцип работы можно объяснить с помощью простой модели.


Модель устройства механического акселерометра (оригинал)

При увеличении ускорения, масса будет растягивать пружину. По закону Гука из школьной программы физики можно с легкостью найти ускорение системы:

$a=\frac{k\cdot\delta x}{m}$, где k -коэффициент упругости пружины, $\delta x$ ее растяжение и m масса груза.

Используя три перпендикулярно расположенных датчика, можно узнать ускорение предмета по 3-м осям, и зная начальные условия определить положение тела в пространстве.

Эта незамысловатая модель представляет собой основу работы большинства акселерометров, которые можно поделить на 3 основные подгруппы:

  • механические
  • электронные
  • пьезоэлектрические

Есть еще термальные и оптические, однако их рассматривать не будем. Если с механическими все понятно (по сути, их работу отражает модель сверху), то с электронными и пьезоэлектронными немного поинтереснее.

Пьезоэлектронный акселерометр


Основывается данный тип датчиков на пьезо-эффекте, который был открыт в 1954 году Смитом в таких полупроводниках как германий и кремний. Это открытие дало сильный толчок в развитии датчиков и генераторов. Эффект заключается в генерации напряжения пьезоэлементом при деформации.


Анимация пьезоэффекта (оригинал)

При увеличении ускорения, инертная масса увеличивает/уменьшает давление на пьезоэлемент. Благодаря пьезоэффекту происходит генерация сигнала, который зависит от внешнего ускорения.


Устройство пьезоэлектрического акселерометра (оригинал)

Датчики такого типа требуют дополнительного усилителя, который увеличивает амплитуду сигнала, и создает низкоимпедансный выход для работы с внешними устройствами. Для калибровки нулевого значения ускорения используется Preload Bolt, масса которого рассчитана так, чтобы соответствовать нулевой точки ускорения в системе.

Датчики такого типа до сих пор сильно распространены, и в основном применяются в системах, требующих высокую надежность automotive. Для коммерческой электроники зачастую используют электронные акселерометры, которые имеют меньший размер и цену.

Электронные акселерометры


Принцип работы электронных датчиков основан на изменении емкости конденсаторов при изменении ускорения. Простейшая модель работы представлена на картинке.


Устройство 2-х осевого электро-механического акселерометра

При изменении ускорения, масса изменяет расстояние между обкладками конденсатора. Из простейшей формулы емкости конденасатора $C=\frac{\varepsilon\varepsilon_0S}{d} $ следует, что при изменении d расстояния между обкладками емкость конденсатора будет также изменяться. Широкое применение данный метод получил, благодаря развитию МЭМС (MEMS) микроэлектромеханических систем.

МЭМС технологии позволяют создавать конденсаторы с подвижными обкладками на кремниевой подложке, что существенно уменьшает размер устройства, и что не маловажно его стоимость.


Устройство 2-х осевого электро-механического акселерометра (оригинал из книги Introductory MEMS. Дальнейшие иллюстрации тоже взяты из этой книги)

У читателя наверняка возник вопрос: как именно детектировать изменение емкости конденсатора? Постараюсь дать на этот вопрос исчерпывающий ответ.

Устройство МЭМС акселерометра. Как превратить изменение емкости в сигнал?


Емкостной полумост


Итак прежде, чем описывать работу самого датчика, обратимся к довольно популярной схеме в схемотехнике емкостному полумосту (Capacitive half-bridge).

Емкостной полумост основа МЭМС-датчиков

Напряжения $e_1$ и $e_2$ являются входными, а $e_3$ выходной сигнал для последующего преобразования. Емкости обоих конденсаторов зависят от внешнего ускорения, и изменяются на величину x(t). При x = 0, заряды на емкостях являются идентичными, и при этом $C_1=C_2=C_0$. При условии, что x <<d найдем как зависит изменение емкости конденсаторов от изменения положения обкладки.

Вывод формулы для изменения емкости
Запишем изменение каждой емкости при сдвиге обкладки на x:
$\Delta C_1=C_1-C_0$; $\Delta C_2=-C_2+C_0$(1.1)

Запишем через формулу емкости:
$\Delta C_1=\frac{\varepsilon S}{d-x}-\frac{\varepsilon S}{d}$; $\Delta C_2=-\frac{\varepsilon S}{d+x}+\frac{\varepsilon S}{d}$

Упростив данные формулы, получаем следующее:

$\Delta C_1=\frac{\varepsilon Sx}{d^2-xd} $$\Delta C_2=\frac{\varepsilon Sx}{d^2+xd}$

Учитывая условие, что x <<d, а xd несущественно по сравнению с d^2 можем записать формулу изменения емкости конденсатора, в зависимости от смещения обкладки:

$\Delta C\left(x\right)=\frac{\varepsilon S}{d^2}x $(1.2)
Итак часть пути пройдена, мы получили как зависит значение изменения емкости от изменения положения обкладки (то есть внешнего ускорения). Пора это изменение детектировать: вводим дополнительные токи $i_1, i_2, i_3$. Теперь остается вычислить как выходной ток будет зависеть от изменения положения обкладки.

Вывод формулы зависимости выходного тока от изменения емкости
По правилу Кирхгофа для токов получаем следующее уравнение:
$i_1+i_2=i_3$

Учитывая тот факт, что ток является производной заряда dq/dt, а заряд q=CU, преобразуем данное уравнение в следующий вид:
$i_3=\frac{d}{dt}\left[C_1\left(e_1-e_3\right)\right]+\frac{d}{dt}\left[C_2\left(e_2-e_3\right)\right]$(1.3)

Пусть потенциалы $e_1= e_2= e_s$, тогда исходя из формулы (1.1):
$i_3=\frac{d}{dt}\left[\left(C_0+\Delta C\right)\left(e_s-e_3\right)\right]+\frac{d}{dt}\left[\left(C_0-\Delta C\right)\left(e_s-e_3\right)\right]$


Итак если использовать одинаковые потенциалы входных напряжений $e_1= e_2= e_s$ получаем зависимость тока:

$i_3=\frac{d}{dt}\left[2C_0\left(e_s-e_3\right)\right]$



Результат получился довольно странный: выходной ток никак не зависит от изменения емкости. Для того, чтобы детектировать изменение емкости, необходимо задавать на обкладках напряжения разной полярности, то есть: $e_1=e_s$, а $e_2=-e_s$. Тогда переделаем уравнение с учетом данной модификации.

Зависимость тока от изменения положения обкладки с учетом разной полярности входных напряжений
Перепишем уравнение 1.3:

$i_3=\frac{d}{dt}\left[\left(C_0+\Delta C\right)\left(e_s-e_3\right)\right]+\frac{d}{dt}\left[\left(C_0-\Delta C\right)\left(-e_s-e_3\right)\right]$


Упрощаем:

$i_3=2\frac{d}{dt}\left(\Delta C e_s-C_0e_3\right)$


Берем производную:

$i_3=2\left(e_s\frac{d}{dt}\left(\Delta C\right)+\Delta C\frac{d}{dt}\left(e_s\right)-C_0\frac{d}{dt}\left(e_3\right)\right)$


Учитывая уравнение 1.2 для изменения емкости, получаем:

$i_3=2\left(e_s\frac{\varepsilon S}{d^2}\dot{x}+x\frac{\varepsilon S}{d^2}\dot{e_s}-C_0\dot{e_3}\right)$(1.4)

Из этого уравнения видны следующие факты:

  • если положение пластин не меняется во времени, то $\dot{x}=0$
  • аналогично если источник сигнала es постоянный (DC), то $\dot{e_s}=0$

Для эффективной работы емкостного полумоста необходимо использовать переменные входные сигналы e1 и e2, смещение фаз между которыми будет равно 180 градусов (для того, чтобы потенциалы имели разный знак). Поэтому получаем следующий вид сигналов:

$e_1=+e_s=+Bsin\left(\omega t\right)$

$e_2=-e_s=-Bsin\left(\omega t\right)$

, где $\omega$ частота переменного сигнала (определяется на этапе разработки, в зависимости от полосы пропускания системы и нормальной работы механических емкостей).

Итак, мы получили уравнение (1.4), которое показывает, как изменение емкости конденсатора влияет на выходной сигнал системы. Однако такой сигнал будет довольно малый по амплитуде, к тому же если подключим к нему нагрузку для общения с внешним миром вся система рухнет. Тут нужен усилитель

Просто добавь усилитель


Добавим в нашу систему усилитель (будем считать, что коэффициент усиления $\infty$ сл-но работает принцип виртуальной земли).


Емкостной полумост + интегратор

Итак теперь найдем зависимость выходного напряжения усилителя от изменения емкости.

Выходное напряжение усилителя
Запишем уравнение Кирхгофа для этой системы:
$i_4+i_5=i_3$
Ток через конденсатор $C_f$ можно записать через изменение заряда dq/dt, поэтому исходя из полученного уравнения (1.4) получаем:
$2\left(e_s\frac{\varepsilon S}{d^2}\dot{x}+x\frac{\varepsilon S}{d^2}\dot{e_s}-C_0\dot{e_3}\right)=\frac{d}{dt}\left[C_f\left(e_4-e_3\right)\right]+\frac{e_4-e_3}{R_f}$(1.5)
Данное уравнение показывает, что выходной сигнал зависит не только от положения обкладки x, но и от ее скорости движения (что не желательно). Для того чтобы компонента, вносимая скоростью, была незначительной, необходимо использовать высокочастотный входной сигнал (обычно такую частоту выбирают в районе 1 ГГц). Запишем компоненты уравнения как гармонические сигналы:

$e_s\dot{x}+x\dot{e_s}=\dot{x}Bsin{\omega t}+x\omega Bcos{\omega t}$


Выбираем частоту достаточно высокую, чтобы $ x\omega\gg\dot{x}$:

$2\frac{\varepsilon S}{d^2}x\dot{e_s}=C_f\dot{e_4}$


Учитывая, что сигналы es и e4 имеют одинаковую частоту переходим к отношению их амплитуд:

$\mid\frac{e_4}{e_s}\mid=\frac{2\varepsilon S}{C_fd^2}x$


В итоге мы получили зависимость выходного сигнала усилителя от изменения положения обкладки конденсатора. Внимательный читатель должен сразу обратить внимание это же амплитудная модуляция! Действительно, в данной системе мы имеем сигнал x(t), который перемножается с сигналом $e_s(t)$ и усиливается на величину $\frac{2\varepsilon S}{C_fd^2}$. Следующий шаг убрать несущую частоту $e_s(t)$, и мы получим усиленный сигнал x(t) который пропорционален ускорению. Долгий путь вычислений привел нас к пониманию архитектуры МЭМС-акселерометра.

Архитектура МЭМС акселерометра


Рассмотрим сначала функциональную схему датчика:


Функциональная схема МЭМС-акселерометра

Изначально у нас есть сигнал x(t) который отражает изменение ускорения. Далее мы перемножаем его с несущим сигналом $e_s(t)$ и усиливаем с помощью операционного усилителя (в режиме интегратора). Далее происходит демодуляция простейшая схема диод и RC фильтр (в реальности используют усложненную схему, синхронизируя процесс модуляции и демодуляции одной несущей частотой $e_s(t)$). После чего остатки шума фильтруются с помощью фильтра низких частот.

В качестве примера приведу один из первых МЭМС акселерометров компании Analog Devices ADXL50:


Структурная схема ADXL50

Наверное, приведя структурную схему датчика в начале статьи многим читателям не было бы понятно назначения некоторых блоков. Теперь завеса приоткрыта, и можем обсудить каждый из них:

  • Блок, который называется MEMS sensor является емкостным полумостом.
  • Блок oscillator генерирует сигнал на частоте 1ГГц.
  • Сигнал осциллятора также используется для синхронной демодуляции.
  • Выходной усилитель и дополнительные резисторы создают нулевую точку, относительно которой можно смотреть знак изменения ускорения (обычно это VDD/2- половина питания, для биполярных датчиков земля).
  • Внешняя емкость $C_1$ определяет полосу измерения системы.
  • Внутреннего фильтра низких частот в данной схеме нет, но в современных схемах они имеются.

Какой преобразователь выбрать для работы с датчиками?


Выбор преобразователя для работы с датчиками зависит от точности, которую вы хотите получить. Для работы с датчиками подойдут АЦП с архитектурой SAR или Delta-Sigma с высокой разрядностью. Однако современные датчики обладают встроенными преобразователями. Лидерами этого направления являются STMicroelectronics, Analog Devices и NXP. В качестве примера, можно привести новую микросхему с 3-х осевым акселерометром и встроенным АЦП ADXL362.


Структурная схема ADXL362

Для работы с АЦП в схему добавлены антиэлайзинговые фильтры, чтобы исключить попадания в спектр дополнительных гармоник.

Где достать такие технологии?


Сейчас для fabless компаний доступно множество фабрик, которые предлагают технологии МЭМС. Однако для создания современных микросхем требуется интегрировать емкости с подвижными пластинами в стандартный маршрут проектирования, ведь помимо такой емкости необходимо спроектировать дополнительные блоки (генератор, демодулятор, ОУ и тд) на одном чипе. В качестве примера можно привести фабрики TSMC и XFab, которые предлагают технологию для реализации МЭМС датчика вместе со всей обвязкой. На картинке представлены емкости, которые позволяют создать трехосевой акселерометр:


Трехосевой емкостной полумост от TSMC

В России также существует фабрика по выпуску МЭМС датчиков Совтест, однако предприятие не обладает технологией интегрирования дополнительных схемотехнических блоков, которые необходимы для создания конечного устройства и единственный выход применять технологию микросборки.


МЭМС-акселерометр разработки Совтест

Какие наработки есть у нашей компании в этом направлении?


У нас есть несколько преобразователей, которые предназначены для работы с датчиками. Из новых продуктов это:

  • 5101НВ035 16-канальный преобразователь на основе 8-ми Дельта-Сигма АЦП, предназначена для работы с токовыми датчиками
  • 1316НХ035 4-х канальный интегрирующий преобразователь напряжение-частота (ПНЧ), предназначенный для работы с 3-х осевыми акселерометрами и гироскопами.

Как я писал в предыдущей статье, период ожидания пластин с фабрики может занять довольно долгий промежуток времени. После первого тестового запуска АЦП 400МГц, время прихода пластин и дальнейших измерений заняло более полугода. За это время наша команда успела сделать ПНЧ 1316НХ035 (развитие предыдущей схемы 1316ПП1У), о котором могу немного рассказать.

Преобразователь напряжение-частота


Для преобразования данных с датчика обычно используются SAR или delta-sigma АЦП, однако существует еще один тип преобразователей интегрирующие ПНЧ, которые имеют существенные преимущества:

  1. Занимают меньшую площадь и имеет меньшее потребление при том же показателе линейности и шума.
  2. Простая архитектура.
  3. Высокая устойчивость к входному шуму и сигналам помех.
  4. Устойчивость к шуму и помехам выходного сигнала.
  5. Возможность передачи данных без обработки на радиочастотный канал связи.

Микросхема 1316НХ035 представляет собой четырехканальный преобразователь напряжения в частоту и цифровой код, к трем основным высокоточным каналам подключаются выходы трехосевого акселерометра. 4-ый канал имеет входной 4-канальный мультиплексор, к которому можно подключать дополнительные датчики системы: температуры, влажности и др. Под микроскопом схема выглядит так:


ПНЧ под микроскопом

Каждый из трех основных каналов преобразует входное напряжение в диапазоне 4В в частоту до 1250кГц на 3-х выходах, соответствующих положительному и отрицательному входным напряжениям. Также микросхема имеет в каждом канале 16 битный реверсивный счетчик, для подсчета частотных импульсов. SPI интерфейс служит для управления режимами преобразования и выборки содержимого счетчиков импульсов каналов. Основными требованиями к параметрам ПНЧ являлись:

  1. высокая термо и временная стабильность выходной частоты при нулевом входном сигнале (заземленных входах)
  2. динамический диапазон преобразования не менее 22 бит
  3. непрерывность преобразования входного сигнала и недопустимость потери ни одного частотного импульса.

Для обеспечения требований 1 и 2 используется аналоговая автокалибровка, которая выполняется автоматически при включении схемы, а также может запускаться в любой момент по команде через SPI интерфейс. Требование 3 обеспечено и гарантируется схемотехническими решениями. Удалось достичь довольно приличных параметров точности: типовая нелинейность преобразования составила 30 ppm, а смещение нуля менее 0.1 Hz при коэффициенте преобразования 200 kHz/V. Динамический диапазон преобразования: fmax/fmin = 2*1.25МГц / 0.3Гц 8.33млн., что соответствует более 23 битам.

Есть только одно но биполярное питание. Для обеспечения хорошей стабильности нуля (напряжение, которое соответствует ускорению 0g) необходимо использовать биполярное питание. Такое решение довольно эффективное ведь когда 0g соответсвует земля, система априори будет стабильной. Также это улучшает проектирование системы. В современных датчиках в качестве нуля используют половину питания Vdd/2, однако если значение напряжения на преобразователе будет отличаться от напряжения на датчике мы автоматически получаем смещение, которое нужно дополнительно калибровать.

Наверное, для многих потребителей биполярное напряжение немного отпугивает, и мы как разработчики это понимаем. Возможно, в дальнейшем сделаем коммерческий вариант для МЭМСов (или интегрируем датчик в ПНЧ). Пока, конечно, это всего лишь планы, но уверен они увидят свет.

P.S. Нашел бонусные фотографии с процесса исследования образцов. Вообще это, как по мне, самое интересное в процессе разработки. Тебе дают в руки твое детище с пылу жару с завода, ты подаешь на него питание и скрестив пальцы ждешь работает или нет?.


P.P.S. Кому понравилась тема датчиков, в будущем коллега из центра проектирования аппаратуры хотел бы рассказать про создаваемую инерциальную систему на основе МЭМС датчиков БИНС.
Источник: habr.com
К списку статей
admin
Опубликовано: 12.12.2020 16:04:40
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Блог компании миландр

Схемотехника

Производство и разработка электроники

Электроника для начинающих

Инженерные системы

Мэмс

Микроэлектроника

Датчики движения

Акселерометр

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru