АВТОМОБИЛЬНЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ. ЧАСТЬ 4. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ёМКОСТНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Автомобильные акселерометры.

Часть 4. Развитие технологий и элементной базы емкостных акселерометров

Светлана СЫСОЕВА

[email protected]

Данная публикация продолжает сравнительный анализ рабочих принципов и технологий датчиков ускорения, актуальных для автоэлектроники, и сконцентрирована на анализе современного технологического уровня емкостных акселерометров, включая кремниевые акселерометры MEMS, в контексте их эволюционного развития.

Введение

В последние годы технологический уровень микромеханических акселерометров значительно вырос: новые компоненты, размещаемые в рыночной нише прежней или более низкой ценовой категории — стоимостью порядка $1-10 в объемах массового производства — характеризуются повышением общего уровня интеграции, улучшением характеристик и добавлением новых функций.

Новые интегральные акселерометры, как правило, создаются на одном кристалле. Это означает размещение на одном кристалле как сенсорных элементов, причем чувствительных в направлениях трех измерительных осей, так и обрабатывающих устройств, и обеспечивает исполнение одной ИС функций датчика и электрической схемы обработки сигнала, для которой необходимо только несколько внешних дискретных компонентов.

Принимая во внимание цену прецизионных пьезоэлектрических устройств, необходимо подчеркнуть, что МЕМБ-акселерометры с интегрированной электроникой обеспечивают функции самотестирования, калибровки, программирования, но стоят значительно (на порядок или два) меньше, чем дорогие специализированные устройства, так же как и МЕМБ-акселерометры, выпускавшиеся десятилетие назад.

Существуют различные физические принципы и схемы детектирования, которые ус-

пешно применяются для создания автомобильных акселерометров, — пьезоэлектрические, пьезорезистивные, емкостные, электромагнитные, магнитные (эффекта Холла, магниторезисторы и т. п.), резонансные и конвекционные (тепловые акселерометры Мешзк).

Разработано множество альтернативных технологий акселерометров — индуктивные, магнитостриктивные, устройства на поверхностных акустических волнах, оптические1, туннельные2 [67-70].

Многие новые технологии также подходят для создания однокристальных микромеха-нических структур и интегральных микроме-ханических акселерометров с готовым выходом (под микромеханическими понимаются структуры, осуществляющие микроперемещения — порядка мкм и менее; в настоящее время актуальными становятся перемещения порядка А — инерционной массы внутри чувствительного элемента, выполненного на основе кремния и/или других материалов с применением методов производства интегральных схем: маскирования, фотолитографии и травления).

В процессе непрерывной разработки технологий микромеханики многие новые технологии акселерометров успешно коммер-циализуются, достигая вместе с гироскопами и датчиками давления самых больших объемов продаж МЕМБ-устройств.

На современном автомобильном рынке инерциального считывания наибольшее рас-

пространение получили емкостные MEMS-акселерометры — датчики ускорения, основанные на емкостном преобразовании микроперемещений инерционной массы. Причины их коммерческого успеха — простота сенсорного элемента, отсутствие необходимости в материалах со специальными свойствами, высокая чувствительность, малое энергопотребление, хорошая температурная стабильность, улучшенные шумовые характеристики, малый дрейф и низкая цена.

Емкостные MEMS-акселерометры, производимые компаниями Analog Devices, Bosch, Delphi, Denso, Freescale, Kionix, Silicon Designs, STMicroelectronics, VTI Technologies, а также тепловые акселерометры Memsic занимают лидирующие позиции на современном автомобильном рынке. Среди известных MEMS-акселерометров представлены различные коммерческие продукты с аналогичной функциональной спецификацией, но с уникальным механическим дизайном считывающих элементов, выполненных на основе различных материалов, с применением различных технологий, методов интегрирования электроники и корпусирования устройств, а также в различном ценовом диапазоне.

Разнообразные акселерометры различаются по типу выхода — с аналоговыми или цифровыми ASIC-функциями — чувствительности, разрешению, линейности, частотной полосе, динамическому диапазону, поперечной чувствительности, температурным эффектам, шумовым характеристикам, способности выдерживать перегрузки и удары и другим показателям.

Все эти факторы, а также цена должны приниматься в расчет при проверке интегрального компонента на соответствие назначению и условиям эксплуатации, для того чтобы комплексно оценить преимущества и недостатки инженерного дизайна данной модели автомобильной системы с акселерометром.

1 Еще один многообещающий тип МЕМБ-датчиков представляет собой интерферометрические акселерометры, принцип действия которых основан на освещении когерентными световыми волнами от стандартных лазерных диодов поверхностной кремниевой структуры, которая является для них дифракционной решеткой, и получении серии оптических лучей, регистрируемых стандартными фотодетекторами. [70] Преимущества оптического метода — в высоком разрешении порядка мкд.

2 Туннельные акселерометры представляют собой миниатюрные и высокочувствительные датчики с высоким разрешением, работающие с перемещениями порядка 1А и основанные на электронном туннелировании, которое первоначально было разработано для использования в туннельных микроскопах. В датчике острый металлический наконечник расположен приблизительно на 10 А выше металлической поверхности. При наличии постоянного напряжения смещения между наконечником иповерхностью протекает туннельный ток в «1 нА. Небольшие изменения в расстоянии между наконечником и поверхностью (в 1 А) проявляются в значительном изменении (10-50%) туннельного тока.

Включение электронного туннелирования в микромеханические датчики позволяет производить высокочувствительные миниатюрные акселерометры. Типичный туннельный акселерометр сочетает инерционную массу, консоль и схему обратной связи (см. далее «Сервоакселерометры»).

Для решения поставленной задачи данная статья сконцентрирована на обзоре рабочих принципов, технологий и анализе важнейших технических характеристик представленных на современном рынке емкостных МЕМБ-акселерометров в контексте их эволюционного развития.

Емкостные акселерометры

Емкостные датчики используются для решения широкого круга задач — этот тип устройств позволяет определять положение, перемещение, ускорение и многие другие параметры. Применение емкостной технологии в автоэлектронике ассоциируется именно с акселерометрами, которые получили наиболее широкое распространение благодаря их высокой чувствительности, стабильности при детектировании статического ускорения,

Рис. 19. Иллюстрация измерительного принципа дифференциального емкостного акселерометра: а, б — физическая модель измерительной структуры (корпус преобразователя условно не показан):

1, 3 — неподвижные металлические обкладки;

2, 4 — зафиксированные печатные платы;

5 — подвижная обкладка;

6 — инерционная масса (металл или диэлектрик);

7, 8 — слои диэлектрика;

5 — фиксированная площадь перекрытия обкладок; d1, d2 — переменные расстояния между обкладками; а — акселерометр в состоянии покоя;

6 — под действием ускорения a;

в — эквивалентная электрическая схема; г — размещение измерительных осей и степеней свободы (полуосей) относительно корпуса ИС в корпусе SOIC-16

малого дрейфа, низкой температурной чувствительности, малой потребляемой мощности, высокой надежности, хорошим шумовым свойствам, удовлетворительному разрешению и точности, низкой цене.

В сравнении с пьезоэлектрическими датчиками (табл. 1), которым требуются только специальные материалы и динамический вход минимальной частоты, емкостные акселерометры могут быть построены на кремнии и обеспечивают способность детектирования DC-ускорения без ослабления сигнала и значимого нулевого смещения (что важно, например, в системах инерциальной навигации).

В сравнении с недорогими микромехани-ческими пьезорезистивными акселерометрами, которые могут эффективно использоваться в комбинации с недорогой мостовой обрабатывающей электроникой, причем именно в низкочастотных или статических измерениях ускорения, емкостные датчики предлагают низкую температурную чувствительность. Температурный коэффициент сопротивления допированного кремния на два порядка выше, чем температурный коэффициент емкости, несмотря на изменения в геометрии емкостного акселерометра вследствие температурного расширения.

Принцип действия емкостного акселерометра (variable capacitance) основан на изменении емкости3 чувствительного элемента с электродами при перемещении инерционной массы, являющейся его частью, под действием ускорения.

Большинство MEMS-акселерометров использует принцип, в котором ускорение изменяет расстояние d между обкладками и, таким образом, емкость конденсатора. Датчик преобразует изменение емкости акселерометра в выходной сигнал — электрический заряд, напряжение или ток.

Типичный емкостной сенсорный элемент состоит из двух фиксированных электродов — между ними подвешена подвижная обкладка, нагруженная инерционной массой, которая представляет собой общий электрод емкостного полумоста (рис. 19а-в).

Дифференциальный режим соединения двух конденсаторов C1 и C2 (рис. 19в) позволяет увеличить амплитуду и улучшить линейность сигнала, так как зависимость емкости от перемещения является нелинейной. Большинство дифференциальных емкостных акселерометров объединяет электронику, которая завершает мост Уитстона (аналогично пьезорезистивным датчикам) и обрабатывает сигнал, используя, например, соотношение C1/C2 или (C1-C2)/(C1+C2).

Пояснить данное утверждение поможет известное выражение для емкости плоского конденсатора:

(10)

где е — относительная диэлектрическая проницаемость материала; е0 — диэлектрическая постоянная; 5 — площадь перекрытия обкладок; й — расстояние между обкладками.

Многие преимущества и недостатки емкостных датчиков вытекают из их физической природы.

Так, емкостные структуры просты в конструировании — в зависимости от размещения емкостного чувствительного элемента относительно ИС или печатной платы, они позволяют детектировать ускорения в направлении любой из шести степеней свободы (рис. 19г). С развитием технологий МЕМБ данное преимущество дополнилось возможностью детектировать три измерительные оси посредством только одной ИС.

Возможность конструирования емкостного датчика обеспечивается не только МЕМБ-решениями. Например, ранние технологии использовали емкостной элемент с металлической сенсорной диафрагмой и фиксированными обкладками конденсатора из окиси алюминия или металлизированной керамики (рис. 20, 21) [71, 72]. Сведения о текущей

3 Аналогичным образом функционируют потенциометрические или индуктивные датчики ускорения, которые образуют при перемещении инерционной массы — контактного резистивного движка, подвижной арматуры или сердечника индуктивного элемента (например, обмотки или ЬУРТ) — изменение в сопротивлении или индуктивности соответственно.

Рис. 20. Дифференциальный емкостной акселерометр с гибкой металлической диафрагмой (корпус преобразователя условно не показан): а — физическая модель акселерометра под действием ускорения a (вид в сборке); б — вид акселерометра в разрезе;

1 — элемент крепления диафрагмы — общий электрод с «земляным» экраном;

2 — металлическая диафрагма с отверстиями для газового демпфирования;

3, 6 — зафиксированные печатные платы;

4, 7 — терминалы для снятия зарядового сигнала с неподвижных обкладок;

5, 8 — диэлектрические слои;

9 — верхний «земляной» экран

Датчик/ Параметр Функциональное описание Число измерительных осей Максимальный диапазон ускорений Gmax, g (полная шкала) Тип выхода Чувствительность, В/g (при 25 °С) Смещение нуля U0q, В Дрейф чувствительности (в полном диапазоне) Дрейф смещения (в полном диапазоне) Рабочий частотный диапазон,Гц

Пьезоэлектрические датчики

0273 101 141/ 0 273 101 150/ 0 273 101 131 Bosch Пьезоэлектрические датчики фронтальных ускорений 1 или 2 (0 273 101 150) ±35 Аналоговый в диапазоне 5 В 60 мВ/g (57,5-62,5) ±45 мВ (0 273 101 141); Udd/2±60 мВ (0 273 101 150; 0 273 101 131) _*. специфицировано значение чувствительности в полном диапазоне 4% —* 0,9—250 (0 273 101 141); 0,9—340 (0 273 101 150; 0 273 101 131)

0 261 231 148/0 261 231 153/0 261 231 118 Bosch Пьезоэлектрические датчики детонации «0.1...400 С высоким импедансом (>1 МОм) (26 ± 8) мВ/g на 5 кГц - 0,06 мВ/(д-°С) — 1.20 000

8694M1 Kistler Трехосевой датчик компрессионного типа ±500 Аналоговый в диапазоне 2-6 В 4 мВ/g 4 В 0,054%/°C —* 10—20000

Пьезорезистивные датчики

3031 MSI Одноосевой пьезорезистивный датчик (для крэш-тестирования) ± 50, 100, 200, 500 Мостовой, калиброванный в диапазоне 5 В 0,6 мВ/g ... 0,06 мВ/g —* —* —* 0—1000 ... 2400

3255 MSI Одноосевой пьезорезистивный датчик (для крэш-тестирования и детектирования аварий) 1 (опции крепления допускают возможность детектирования любой оси - X, Y или I) ±25, 50, 100, 250, 500 Аналоговый выход 0,5-4,5 В 76 мВ/g ... 3,8 мВ/g

EGAS Entran (MSI) Одноосевой и трехосевой пьезорезистивный датчик 1 или 3 ±5 ... ±2500 Мостовой; ±100 мВ 20 мВ/g ... 0,04 мВ/g ±15 мВ ±2,5%/50 °С ±1 мв/50°С 0—150 ... 3500

EGA Entran (MSI) Одноосевой миниатюрный пьезорезистивный датчик ±5 ... ±5000 Мостовой; ±(75, 125 или 250) мВ 15 мВ/g ... 0,05 мВ/g ±15 мВ ±2,5%/50 °С ±2,5 мв/ 50 °С 0—150 ... 3500

Емкостные датчики

7290A Microtron Endevco Емкостной акселерометр -датчик переменной емкости 1 (Z) ±2 (7290A-2); ±10 (7290A-10); ±30 (7290A-30), ±50 (7290A-50) и ±100g (7290A-100) 1 (1000±20) мВ/д (7290А-2); (200±10) мВ/д (7290А-10); (66±4) мВ/д (7290А-30); (40±2) мВ/д (7290А-50) и (20±1) мВ/д (7290А-100) ±50 мВ max ±3% ±2% 0-15 (7290А-2); 0-500 (7290А-10); 0-800 (7290А-30); 0-1000 (7290А-50) и 0-1000 (7290А-100)

7596AM3 Endevco ±2g (7596A-2); ±10g (7596A-10); ±30g (7596A-30), ±50g (7596A-50) и ±100g (7596A-100) (1000±20) мВ/д (7596А-2); (200±10) мВ/д (7596А-10); (66±4) мВ/д (7596А-30); (40±2) мВ/д (7596А-50) и (20±1) мВ/д (7596А-100) ±200 мВ max ±6%; ±8% для 7596A-50 ±6% 0-15 (7596А-2); 0-500 (7596А-10); 0-800 (7596А-30); 0-1000 (7596А-50) и 0-1000 (7596А-100)

7292A-XXM1 Endevco ±2 (7292A-2M1); ±10 (7292A-10M1); ±30 (7292A-30M1), ±50 (7292A-50M1) и ±100g (7292A-100M1) (1000±20) мВ/д (7292А-2М1); (200±10) мВ/д (7292А-10М1); (66±4) мВ/д (7292А-30М1); (40±2) мВ/д (7292А-50М1) и (20±1) мВ/д (7292А-100М1) ±6%; ±8% для 7292A-50M1 0-15 (7292А-2М1); 0-500 (7292А-10М1); 0-800 (7292А-30М1); 0-1000 (7292А-50М1) и 0-1000 (7292А-100М1)

SCA103T-D04 и SCA103T-D05 VTI Высокоточные одноосевые инклинометры 1(Y) ±15°(±0,26) и ±30°(±0,5) Пропорциональные дифференциальные аналоговые выходы или SPI 280 мВ/° и 140 /мВ/° или 16 В/д и 8 В/д; точность калибровки чувствительности ±0,5% Udd/2 (точность калибровки смещения при 25 °С 0,057° и 0,11° или ±1 мд и ±2 мд) (—2,5.1)% <±0,29° Верхняя частота среза науровне в3дБ 8-28 Гц; детектирование статического ускорения

SCA100T-D01 и SCA100T-D02 VTI Двухосевые инклинометры 2(Х и Y) ±0,5 (±30°) и ±1 (±90°) 4 В/д и 2 В/д; точность калибровки чувствительности ±0,5% Udd/2 (точность калибровки смещения при 25°С ±2 мд и ±4 мд) ±15 м9

SCA61T-FAHH1G и SCA61T-FA1H1GVTI Одноосевые инклинометры 1(Y)

SCA111T и SCA121T VTI Одно- или двухосевые автономные инклинометры 1 (X) ((SCA111T-D02; SCA111T-D04); или 2 (XY) (SCA121T-D07; SCA121T-D03; SCA121T-D05) ±30° (SCA111T-D02; SCA121T-D07); ±90° (SCA121T-D03; SCA111T-D04; SCA121T-D05) Аналоговое напряжение 35 мв/° (БСА121Т^03; БСА121Т^05); 70 мВ/0(БСА111Т^02; БСА121Т^07; ЗСА111Т^04) 2,5 В (точность калибровки смещения ±1°) (—1,5...0,5)% ±0,6° Верхняя частота среза науровне в 3дБ 18 Гц; детектирование статического ускорения

—* Данные не специфицируются производителем

-** Значения, специфицируемые производителем как типичные

актуальности подобных датчиков в автоэлектронике предоставляют компании Texas Instruments (см. рис. 1г и 8б и [71]) и PCB Piezotronics [1].

Другое значимое преимущество емкостных акселерометров — температурный дрейф конденсаторов небольшой емкости и, следовательно, схема температурной компенсации минимальна. Емкостные датчики обеспечивают широкий рабочий температурный

диапазон, но важно подчеркнуть, что относительно нечувствительны к температурным вариациям емкостные акселерометры с газовым демпфированием, поскольку частотная полоса емкостного акселерометра также температурно чувствительна (вязкость демпфирующей жидкости является функцией температуры).

Емкостные МБМ8-акселерометры измеряют ускорения в диапазоне от <2 g/с (вплоть

до статического) до нескольких сотен g/с, на частотах, как правило, до 1 кГц.

Поскольку частотная полоса емкостных акселерометров ограничена значениями в несколько кГц, для описания этого типа датчиков используется динамическая модель4. В динамике, в условиях отсутствия демпфирования, на частотах, значительно ниже резонансной, чувствительность акселерометра не зависит от частоты возбуждения. Напротив, возбуждение системы на частотах, близких к резонансной частоте, будет образовывать очень большие амплитуды колебаний, для предотвращения которых в систему вводится демпфирование.

4 Динамическая модель распространяется на все типы датчиков, рассмотренные ранее, — пьезоэлектрические, пьезорезистивные и т. д. Однако большинство из них — устройства нерезонансного типа свысокой резонансной частотой, поэтому для их описания достаточно статической модели.

Резонансная частота f0 или Ш,

Гц

Напряжение питания, В

Ток потребления, мА/ Потребляемая мощность, Вт

Разрешение, мд

Шумы (шумовая плотность или пиковый размах амплитуды шумов)

Нелинейность, % от полной шкалы

Поперечная осевая чувствительность,

%

Ратио-

метрич-

ность,

%

Способность противостоять перегрузкам, д

Долго-

временная

стабиль-

Тип корпуса, размеры и масса

Рабочий

темпера-

турный

диапазон,

°С

Пьезоэлектрические датчики

—* 5 (4,75—5,25 для 0 273 101 141; 4—5,25 для 0 273 101 150 и 0 273 101 131) Ток потребления 12 мА для 0 273 101 141; 15 мА для 0 273 101 150 и0273 101 131 —* —* —* —* —* —* —* («50 х «35x20) мм для 0273 101 141; (20x20x8) мм для 0 273 101 131/150 —45.95

>25 000 — 15—41 мВ/g —* («027; «52х «24) мм —40...130 —40...150

80 000 12—30 Ток потребления 2—20мА 25 мд —* —* 2000 —* Титановый корпус со встроенной электроникой; вес 2,5 г —55...135

Пьезорезистивные датчики

2000-5000 5—10 Ток потребления порядка мА 1,0 мкВ пиковый размах 0,5 —* 1000—2000

—* 4—7 Ток потребления 10 мА —* 10 мВ пиковый размах 0,2 2000 —* SMD —40...125

300-7000 15 Ток потребления 11,5 мА —* ±500...10 000 Корпуса специальной геометрии; вес «1 г

300—8000 15 —* ±25—10 000 Один из вариантов геометрии корпуса (3,6х3,6х6,9) мм; вес «0,5 г —40...120

Емкостные датчики

1300 (7290-A2); 3000 (7290A-10); 5500 (7290A-30); 5500 (7290A-50) и 6000 (7290A-100) 9,5—18,0 Ток потребления 8,5 мА (10 мА max) 0,0005 (7290А-2); 0,0025 (7290А-10); 0,008 (7290А-30); 0,012 (7290А-50) и 0,025 (7290А-100) (д) ±0,2 (0,5 max) (7290A-2; 7290A-10; 7290A-30; 7290A-50) и ±1 (2 max) (7290A-100) ±2 Размеры корпуса 25,2x21,6x7,6 мм; вес 10 г —54...121

1300 (7596A-2); 3000 (7596A-10); 5500 (7596A-30); 5500 (7596A-50) и 6000 (7596A-100) Ток потребления 0,0005 (7596А-2); 0,0025 (7596А-10); 0,008 (7596А-30); 0,013 (7596А-50) и 0,025 (7596А-100) (д) остаточный шум 100 мкВ в диапазоне 0,5—100 Гц ±0,2 (0,5 max) (7596A-2; 7596A—10; 7596A-30; 7596A-50) и ±1 (2 max) (7596A-100) —* 20 000 —* Размеры корпуса 25,4x21,6x9,9 мм; вес 13 г

1300 (7292A-2M1); 3000 (7292A-10M1); 5500 (7292A-30M1); 5500 (7292A-50M1) и 6000 (7292A-100M1) 8,5—30 4,5 мА (8 мА max) 0,0005 (7292А-2М1); 0,0025 (7292А-10М1); 0,008 (7292А-30М1); 0,013 (7292А-50М1) и 0,025 (7292А-100М1) (д) ±0,2 (0,5 max) (7292A-2M1; 7292A-10M1; 7292A-30M1; 7292A-50M1) и ±1 (2 max) (7292A-100M1) ±1 025,4x14 мм; масса 40 г —55...121

—* 5 (4,75—5,25) Ток потребления 4-5 мА 0,001° в полосе 10Гц; цифровое разрешение выхода 0,009°/1БВ и 0,017°/ЬБВ или 12 бит 0,0004 °/^Гц в диапазоне 0—100 Гц ± T. B. D. И ±0,11°(±2 мд) ±4 <0,014° DIL-12; 9x5x16 мм; <1,2 г —55.125

цифровое разрешение 15 мкд/^Гц в диапазоне 0—100Гц ±2 мд и ±10 мд ±2 20000 0,25 мд

Ток потребления 2,5-4 мА выхода 11 бит ±2 мд и ±10 мд и T. B. D DIL-8; 9x5x11 мм; <1,0 г

—* 5 (4,75—5,25) или 16 (7—35) Ток потребления 5 мА 0,001° —** 0,1° (SCA111T-D02; SCA121T-D07); N/A (SCA121T-D03; SCA111T-D04; SCA121T-D05) ±3 —** <0,02° 30x30x13 мм; 60 г; класс защиты 1Р66 —40.85

В динамической модели (рис. 22) акселерометр представляет собой колебательную систему с коэффициентом демпфирования Я «пружина-масса-демпфер», в которой перемещение инерционной массы относительно корпуса моделируется дифференциальным уравнением второго порядка:

тх + 'кх + кх = та

или, с учетом (9),

1 d2x 21 dx F

—2 X----------------+ х = —

ю dt m dt к

где

2у[кт

- декремент затухания, (13)

Р — внешняя сила, и решается через преобразования Лапласа или методами численного интегрирования.

Из выражения для чувствительности акселерометра

(11)

(12)

£ _ Х _ т _ 1 а к со2

(14)

видно также, что существует компромисс между шириной полосы пропускания (динамическим диапазоном) и чувствительностью емкостного акселерометра. В зависимости от

коэффициента демпфирования, частотная полоса пропускания акселерометра обычно находится в диапазоне 0,2-0,5 от резонансной частоты ю. Для достижения оптимально плоской рабочей частотной полосы декремент затухания Е, выбирается равным ^2/2 [73, 76]. Демпфирование регулируется давлением газа в корпусе устройства и геометрией сейсмической массы (рис. 19-20, 24).

Емкостные техники считывания позволяют легко электрически изолировать структурные компоненты акселерометра, но полученная структура датчика в теории не предназначена для детектирования больших перемещений и,

Рис. 21. Компактный автомобильный емкостной датчик с металлической диафрагмой [72]:

1 — цилиндрический корпус; 2 — стенка корпуса 1;

3, 4, 5 — внешние части корпуса для его монтажа;

6 — уплотнительное кольцо; 7 — упругий слой;

8 — открытая область упругого слоя;

9 — подложка, содержащая 94% окиси алюминия;

10 — вывод диафрагмы; 11 — диафрагма;

12 — цилиндрическая оболочка;

13 — схема обработки сигнала;

14 — гибкая подложка для размещения компонентов и проводников;

15 — контакт «земляного» соединения — расширение подложки 14;

16 — корпус разъема;

17 — полость для схемы обработки;

18—20 — терминалы датчика; 21 — окно калибровки; 22 — уплотнение из эпоксидного материала

Рис. 22. Физическая модель акселерометра с демпфированием и ограничением рабочего диапазона детектируемых ускорений:

а — направление ускорения, действующего на датчик;

1 — корпус устройства; 2 — пружина;

3 — инерционная масса; 4 — демпфер;

5, 6 — механические ограничители перемещений при перегрузках (выходе за допустимые рабочие пределы ускорения а, детектируемого датчиком)

следовательно, больших ускорений, поскольку емкости конденсаторов с большими рас-

стояниями между обкладками падают до значений, которые сложно измерить.

Природа емкостной структуры также предполагает использование механических ограничителей перемещений массы при выходе за рабочие пределы датчика (больших ускорений или частот, близких к резонансной). Важным свойством емкостных акселерометров является то, что они могут противостоять ударам уровнями в 5000 g/с или выше.

Кроме нелинейности, как видно из (10), емкостные акселерометры отличает чувствительность к загрязнениям и влажности и присутствию вблизи обкладок различных материалов5, которые изменяют свойства диэлектрического материала и емкостную связь, поэтому в автоэлектронике акселерометры предполагают именно специализированный дизайн и надежную инкапсуляцию.

Особенности схемотехники емкостных акселерометров

Автомобильные емкостные акселерометры требуют присутствия встроенной схемы формирователя сигнала, выполняющей функции преобразования изменений емкости в сигнал, совместимый со считывающей автомобильной аппаратурой, например, в пропорциональный аналоговый сигнал напряжения или токовый выход ШИМ, что логически подводит к актуальности однокристальных интегрированных устройств на основе технологических решений MEMS.

Типичный подход к измерению емкости заключается в измерении импеданса на переменном токе, обычно при подаче на электроды возбуждающего сигнала источника питания в виде синусоидальных или прямоугольных импульсов напряжения. Выходной сигнал емкостного элемента является высо-коимпедансным (1-100 МОм), для снижения которого целесообразно подавать питание высокой частоты (выше 50 к Гц). Высокие частоты помогают снизить уровень шумов.

Обработка сигнала емкостного чувствительного элемента обычно производится в цепи демодулятора. Дополнительные элементы схемы осуществляют усиление и фильтрацию сигнала.

Датчики, возбуждаемые непрерывным волновым сигналом, используют синхронные демодуляторы, обеспечивающие высокую точность и минимизирующие влияние рабочих частот.

Дифференциальные акселерометры (например, представители семейства ADXL Analog Devices, которые обеспечивают нелинейность <0,2%) используют для питания неподвижных обкладок равные, но противофазные напряжения частотой порядка 1 МГц — при нулевом положении подвижной обкладки

они дадут нулевое выходное напряжение на входе демодулятора.

Другой распространенный метод измерения емкости состоит в применении усилителя заряда, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения. Типичные значения нелинейности, обеспечиваемые этим методом, составляют порядка 1% (например, линейка акселерометров Freescale). Альтернативный метод использует усилитель напряжения, который позволяет получить более линейную (с линейностью порядка 0,5%) зависимость напряжения на подвижной обкладке как функцию изменения расстояния.

Эффективный способ устранения нелинейности зависимости емкости от перемещения — применение цепи обратной связи в так называемых сервоакселерометрах, позволяющих получать линейный выходной сигнал.

Сервоакселерометры (Force Balance)

Акселерометры, рассматриваемые до сих пор (включая пьезоэлектрические, пьезорезистивные или емкостные), классифицируются как устройства незамкнутого цикла — ореп-1оор-акселерометры, и составляют большинство коммерчески доступных устройств. В датчиках этого типа непосредственно регистрируется малое конечное перемещение сейсмической массы, пропорциональное ускорению. Этот тип акселерометров отличается погрешностями измерений и нелинейностью.

Среди емкостных акселерометров широко распространены устройства, работающие в режиме замкнутого цикла, — так называемые closed loop, force balanced (балансируемые силой) или servo (следящие) акселерометры, которые используют полученный сигнал изменения в емкости в качестве напряжения обратной связи, противодействия движению массы и удержания ее в центральном положении (принудительная обратная связь). В случае емкостных устройств сервотипа разности потенциалов между одним неподвижным сенсорным электродом и подвижной массой и между массой и другим электродом контролируются таким образом, что электростатическая сила стремится отменить перемещение, наводимое ускорением. Помимо того что подавляется перемещение массы, одновременно достигается улучшение в чувствительности и частотных характеристиках. Удержание массы в сбалансированном режиме фактически исключает ошибки вследствие нелинейностей и способствует уменьшению влияния температуры окружающей среды, временных изменений параметров и т. д.

Эквивалентная линейная6 физическая модель, иллюстрирующая принцип работы сервоакселерометра в направлении одной степени свободы (полуоси), показана на рис. 23.

В емкостном dosed-loop-акселерометре емкостной элемент также регистрирует переме-

5 Например, заземленный проводящий материал уменьшит емкость, материал с высокой диэлектрической проницаемостью увеличит емкость.

6 Существуют также маятниковые модели сервоакселерометров: один из примеров описан в [1], другой можно найти в библиотеке руководств для разработчиков на сайте компании National Instruments w ww.ni.c om

Рис. 23. Сервоакселерометр: а — направление ускорения, действующего на датчик;

1 — корпус устройства; 2 — пружина;

3 — инерционная масса (с ферромагнитным материалом);

4 — демпфер;

5 — механический ограничитель перемещений при перегрузках

(выходе за допустимые рабочие пределы ускорения а);

6 — постоянный магнит, прикрепленный к массе 3;

7 — датчик Холла; 8 — электромагнит;

Fэл, F, F1, F2 — силы, действующие в модели

щение инерционной массы, но в сервоцепи вводится отрицательная обратная связь — напряжение, снятое с чувствительного емкостного элемента (с выхода предусилителя) и пропорциональное ускорению, возвращается на обкладки датчика, создавая электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, возвращающие инерционную массу в исходное состояние.

Размеры емкостного микромеханического элемента позволяют эффективно использовать электростатические силы для осуществления сброса, с одновременным преимуществом малого потребления мощности и недостатком, состоящим в том, что электростатические силы — нелинейная функция приложенного напряжения, и при больших смещениях массы они могут вызывать ее «прилипание» к одной из неподвижных обкладок.

Выделяются три метода осуществления сброса:

1) Аналоговый — напряжение прикладывается к обоим, подвижным и неподвижным, электродам, электростатическая сила удерживает массу в центральном положении. Приложение смещающего напряжения линеаризует отрицательную обратную связь при малых отклонениях массы.

2) Цифровой — сигналы ускорения и обратной связи разделяются во времени: в течение первого короткого периода времени датчик определяет положение инерционной массы, предоставляя выход в цифровом формате, в течение второго периода времени обратная связь (электростатическая сила) обеспечивается посредством импульсов напряжения, приложенных к электродам. Метод осуществляется с применением сигма-дельта-модуляции, стабильность обеспечивается за счет того, что выходной сигнал является ШИМ, электростатическая сила определяется по среднему числу импульсов,

и напряжение, фактически, прикладывается к одному из электродов, тогда как другой заземлен. Недостатком является сложность практических схем, осуществляемых для снижения влияния шумов и поперечной чувствительности, на основе методов переключающего конденсатора с ASIC.

3) Гибридный — аналого-цифровой: аналоговый сигнал ускорения подается на усилитель заряда, а затем в управляющую электронику, осуществляющую выборку пика, и логическую схему, обратная связь осуществляется приемами сигма-дельта модуляции сигнала.

Сервоакселерометры измеряют частоты до DC (0 Гц); верхний частотный диапазон зависит в конечном итоге от резонансной частоты, чувствительности, демпфирования.

Сервоакселерометры обеспечивают высокую точность, важную в автоэлектронике для прецизионных инклинометров систем контроля параметров и навигации (например, блоков IMU с шестью степенями свободы (см. рис. 23), комбинируемых с гироскопами), но их цена может на порядок превышать стоимость устройств незамкнутого цикла. Поскольку отклонение инерционной массы уменьшается (например, в акселерометрах Analog Devices оно составляет менее 0,01 мкм), детектируемые диапазоны ускорений составляют обычно <50 g.

Технологии микромеханики

Среди методов микромеханики выделяются объемные и поверхностные методы.

Объемная микромеханика предполагает получение механических структур из твердотельного материала, например методами глубинного объемного селективного травления из объемного анизотропного кристаллического материала, такого как кремний или кварц7.

В поверхностной микромеханике подвижная поверхностная MEMS-структура формируется на поверхности подложки, являющейся основой для получения данной структуры, прикрепленной к подложке в нескольких анкерных (якорных) точках. Для формирования структуры поверх подложки наносятся и структурируются различные слои с использованием методов литографии и селективного травления для удаления жертвенных слоев, на месте которых формируются пустоты и зазоры, необходимые для свободного перемещения поверхностной структуры под действием ускорения. Важнейшей особенностью поверхностной технологии является совместимость с полупроводниковой технологией КМОП, что позволяет создавать однокристальные ИС, интегрированные со схемами обработки сигнала.

Объемные емкостные датчики

Ранние акселерометры и датчики давления выполнялись на основе объемных кремниевых техник МЕМ8, с использованием пьезорезисторов, но кремниевые емкостные датчики дали более эффективные результаты в отношении обеспечиваемых ими характеристик. Пьезорезисторы имеют невысокие показатели линейности сигнала, чувствительны к температуре, требуют согласования, сложной калибровки или наличия компенсационных схем, поэтому многие изготовители акселерометров перешли на объемные емкостные методы.

Среди различных материалов для объемных емкостных акселерометров наиболее часто используется кремний — благодаря его однокристальной природе, анизотропной кристаллической структуре и механическим свойствам.

Для получения объемного кремниевого емкостного датчика инерционная масса — центральный сенсорный слой — формируется травлением кремния до тонкой мембраны, которая затем соединяется с двумя другими кремниевыми слоями методом анодного соединения (рис. 24). Создается трехслойная герметич-

4 7 9ч ^ 8 3 2

1

Рис. 24. Физическая модель объемного кремниевого емкостного акселерометра: а — вид всборке; б — модульный дизайн: а — направление действия ускорения;

1 — нижняя кремниевая пластина — обкладка;

2 — инерционная масса (центральная кремниевая пластина);

3 — верхняя кремниевая пластина — обкладка;

4 — оксид кремния $¡02; 5, 6, 7— терминалы;

8 — ограничители перегрузок (остановы при значительных ударных нагрузках);

9 — пружинный подвес инерционной массы;

10 — стеклянная подложка

7 Коммерчески доступные интегральные акселерометры, как правило, в качестве базового материала используют кремний. Большинство гироскопов — датчиков угловой скорости, использующих похожие измерительные структуры и технологии производства, в качестве базового материала применяют кварц. В качестве примера можно привести гироскопы компании Systron Donner Automotive Division.

ная кремниевая MEMS-структура, в которой подвижная обкладка физически изолирована от неподвижных обкладок с электродами и защищена от перегрузок. Герметичность, обеспечиваемая за счет анодного соединения подложек, облегчает корпусирование элемента, повышает надежность и допускает использование газового демпфирования, что расширяет температурный диапазон.

Поскольку перемещение инерционной массы ограничено высотой элемента, этот тип емкостных датчиков рассчитан в основном на измерения ускорений низкого уровня — low-g.

Типичная рабочая емкость элементов составляет 10-20 пФ.

Объемные емкостные датчики обеспечивают высокую точность измерений ускорения (табл. 1). Решающее значение для точности имеет различный фактор теплого расширения у разных компонентов, поэтому объемный элемент устанавливается на стеклянной подложке (рис. 25).

Практическое использование объемных методов основывается на двух- или даже трехкристальной концепции: кристалл датчика вырабатывает сигнал, обрабатываемый в расположенной на другом кристалле, CMOS-схеме, осуществляющей функции защиты и обратной связи. Разделение сенсорных элементов и ASIC обеспечивает высокую степень гибкости характеристик модулей с электроникой в диапазоне продукции компании. Это означает также, что и компания-производитель сенсорных устройств, и компания-изготовитель датчиков способны быстро реагировать на маркетинговые и технологические изменения.

Осуществляя посредством ASIC преобразование аналогового выхода в цифровой формат, например ШИМ, можно эффективно уменьшать время проектирования конечного устройства, экономить площадь кристалла, занимаемую электроникой, и системную цену.

Ограничения объемных емкостных методов, помимо занимаемой ими площади, также состоят в том, что способность детектирования ускорения ограничена единственной осью Z,

резонансные частоты низкие, что типично для емкостных устройств. Стоимость датчиков низкая, но не достигает ценового уровня поверхностных микромеханических датчиков.

Объемные емкостные акселерометры Endevco

Компания Endevco — мировой лидер в области динамических измерений (в настоящее время объединенный с Bruel & Kjaer).

Акселерометр Endevco Model 7290A Microtron (внешний вид показан на рис. 1ж (КиТ № 8’2005, с. 32)), разработанный для автомобильных и авиационных задач с малыми уровнями детектируемых ускорений, — первый в линейке емкостных акселерометров компании, изготавливаемых по объемной технологии, коммерчески доступных в массовых объемах.

Акселерометр сформирован из трех однокристальных кремниевых подложек, соединенных методом анодного соединения (рис. 25) [73-77]. Размеры дифференциального микросенсора (2х2,8х0,9) мм. Верхняя и донная подложки представляют собой обкладки конденсаторов, электрически изолированные от средней подложки тонкими слоями стекла. Средняя подложка включает инерционную массу, подвес и опорный фрейм. Массив подвесных балок (см. рис. 25б) на верхней и нижней поверхностях средней обкладки сформирован диффузионным способом.

Акселерометры Endevco обеспечивают высокие рабочие характеристики. Представленные в версиях ±(2, 10, 30, 50 и 100) g, акселерометры серий 729x и 759x (на рис. 1 ив первой части статьи (КиТ № 8’2005, с. 32) показан также акселерометр 7591) обеспечивают чувствительность от 20 до 1000 мВ/g. Рабочий диапазон температур от -54 до +121 °C.

Акселерометры серий 7290A, 7293A и 7596A питаются от источника постоянного напряжения 9,5-18,0 В и обеспечивают низкоимпе-дансный дифференциальный выход (в диапазоне ±2 В при смещении в 3,6 В). Выходной интерфейс — гибкая коаксиальная кабельная сборка.

Акселерометры 7292A-XXM1 (рис. 1з) и 7596AM3 питаются от источника 8-30 В, выходной дифференциальный интерфейс обеспечивает 6-выводной штыревой разъем.

Частотная полоса контролируется демпфированием (см. выше). Для модели 7290A-2 (±2g) рекомендуемая частотная полоса составляет 1-100 Гц, для других моделей 20-1000 Гц.

Акселерометры Endevco реагируют на статическое ускорение (модели 7292A, 7293A, 7596AM3 и 7596A, а также 7290).

Надежность акселерометров Endevco также является высокой. Остановы при превышении диапазона и газовое демпфирование позволяют устройству противостоять ударам до 10 000-20 000 g/с, в зависимости от модели, и выше (теоретический предел превышает уровни в 90000 g/с).

Технологии акселерометров VTI Technologies

Компания VTI — лидер автомобильной индустрии с 1990-х годов. Ее доля участия оценивается более чем в 50% от общих объемов продаж low-g-датчиков ускорения в диапазоне ±(0,5-12 g). Автомобильные датчики VTI используются, например, в АБС, системах стабилизации и тормозных системах (ECS, ESC, EPB), навигации, противоугонных системах, для контроля давления шин.

Линейка продукции VTI состоит из 13 семейств датчиков ускорения, удара, вибрации, наклона и давления, выполненных на основе кремниевых емкостных элементов, объединенных в корпусе устройства с ASIC. (VTI применяет разделение сенсорного элемента и ASIC, размещая их на разных кристаллах.).

Для производства акселерометров VTI Technologies использует технологию, получившую название 3D-MEMS. Эта технология допускает интегрирование тонких механических элементов, сенсорной, исполнительной и электронной части на обычной кремниевой подложке посредством микрообработки. 3D-MEMS обеспечивает малую площадь устройства, низкую цену, малое энергопотребление, высокую точность и стабильность в широком диапазоне рабочих температур и потенциал гибкости внедрения в различные проекты.

Ядром акселерометров VTI является объемный симметричный микромеханический чувствительный элемент, изготавливаемый из однокристального кремния и стекла [78-80]. Симметричность применяется для улучшения линейности, уменьшения температурной зависимости и поперечной осевой чувствительности. Например, температурный дрейф смещения инклинометров не превышает ^grC нелинейность составляет менее 1%, поперечная чувствительность менее 3%. За счет анодного соединения обеспечивается герметичность, допускающая газовое демпфирование.

Надежность, точность и стабильность характеристик во времени и под влиянием температуры акселерометров VTI являются

высокими. Обычно элементы, считывающие диапазон Big, могут противостоять ускорениям более 50 000 g. Акселерометры VTI позволяют детектировать как статическое ускорение, так и вибрацию.

ASIC включает интегрированную EEPROM с коэффициентами калибровки. Для детектирования сбоев акселерометры VTI обеспечивают функции самотестирования, проверку четности памяти и непрерывное обнаружение сбоев соединений.

ASIC и сенсорный элемент объединяются в корпус поверхностного монтажа с двумя рядами выводов (DIL), защищенный с применением силиконового геля от вредного воздействия влажности и перепадов температуры. В зависимости от расположения чувствительного элемента измерительное направление выбирается параллельным или перпендикулярным оси симметрии ИС.

Текущую линейку VTI интегральных компонентов для жестких условий эксплуатации составляют инклинометры SCA103T, SCA100T и SCA61T.

Высокоточные инклинометры SCA61T (рис. 26а, табл. 1) в корпусе DIL-8 в горизонтальном направлении детектируют диапазоны ускорений ±0,5 g (±30°) и ±1 g (±90°). Инклинометры SCA100T в корпусе DIL-12 (рис. 1н) в тех же пределах обеспечивают возможность детектирования ускорений по двум измерительным осям X и Y. Инклинометры SCA103T (рис. 26б) с разрешающей способностью в 0,001° позволяют с высокой точностью детектировать малые угловые диапазоны ±30° (±0,5 g) и ±15° (±0,26 g).

Точность калибровки смещения инклинометров в полном диапазоне оценивается в ±2-4 мg (1-2 мg для серии SCA103T), ошибка калибровки чувствительности — в ±0,5%. Нелинейность составляет ±2-10 мg, поперечная чувствительность ±4%, ошибка ратиоме-тричности ±2% (±1% для серии SCA103T). Типичная шумовая плотность оценивается значением порядка 15 м^/^Гц. Рабочий частотный диапазон ограничивается значением на уровне в 3 дБ порядка 8-28 Гц.

Для автомобильных условий эксплуатации VTI выпускает линейку автономных моду-лей8 с классом защиты IP66, рассчитанные на детектирование диапазонов ±1,2g и ±2g, прецизионные одно- и двухосевые инклинометры SCA111 иSCA 121T (рис. 26в), точность и нелинейность которых специфицируется в 0,1°, а разрешающая способность — в 0,001°.

Недавно представлены новинки — модули серии SCL1700, объединяющие интегральный компонент, установленный на печатной плате (рис. 26г).

Стандартное напряжение питания интегральных акселерометров VTI — 5 В, для автономных устройств оно может составлять 5 или 16 В (в диапазоне 7-27 В). Датчики предоставляют цифровой или аналоговый выход, а также обеспечивают поддержку SPI-интерфейса. Дополнительные функции вклю-

Рис. 26. Автомобильные акселерометры VTI Technologies: а — горизонтальные инклинометры серии SCA61T; б — высокоточные инклинометры для измерения малых наклонов SCA103T;

в — прецизионные автономные инклинометры SCA 111 и SCA 121T;

г — двухосевой модуль SCL1700 — D11 на основе компонентов SCA100T для измерения наклона в диапазоне ±10°

чают самотестирование, возможность калибровки и детектирования сбоев, а также выход с интегрированного датчика температуры, доступный через SPI-интерфейс.

Для создания многоосевых акселерометров, уменьшения размеров, а также с целью удешевления производства датчиков инерции VTI Technologies перешла на технологию глубинного ионного травления DRIE (Deep Reactive Ion Etching), которая допускает образование больших инерционных масс с высокой чувствительностью и надежностью. Эта технология предусматривает много альтернативных вариантов корпусирования датчиков, в том числе и обычный SMD-корпус.

VTI Technologies ведет активную исследовательскую программу и в настоящее время для производства акселерометров переходит на более перспективные с точки зрения достижимого ими соотношения функциональности, корпусирования, характеристик и цены, технологии и комбинации технологий.

Многие компании-производители акселерометров в настоящее время используют технологии поверхностной кремниевой микромеханики, обсуждение которых будет продолжено в следующей части данной публикации [81]. ■

Литература

67. An Overview of MEMS Inertial Sensing Technology. Bernstein J., Corning-IntelliSense Corp. Sensors Magazine, Feb 2003. ht tp:// ww w.sensorsmag.c om/ articles/0203/14/main.sht ml

68. Magnetostrictive device. US Patent 5 982 054. Опубл. 9.11.1999. (TDK Corporation).

69. Robust Feedback Control Design of an UltraSensitive, High Bandwidth Tunneling Accelerometer. Khammash M., Oropeza-Ramos L., Turner Kimberly L. Department of Mechanical and Environmental Engineering, University of California at Santa Barbara.

ht tp:/ /ww w.engineering.ucsb.e du/ ~tmems/Robust Feedback Control Design of an Ul.../ Robust Feedback Control Design of an UltraSensitive, High Bandwidth.pdf

70. High-resolution micromachined interferometric accelerometer. Cooper E. B., Post E. R., Griffith S. и др., Massachusetts Institute of Technology. w ww .media.mit.ed u/nanoscale/courses/readings/ APL ID accel.pdf

71. Accelerometer. US Patent 5 345 823. Опубл. 13. 09.1994 (Texas Instruments Inc.).

72. Compact capacitive acceleration sensor. US Patent

5 542 296. Опубл. 6.08.1996.

73. Experimental evaluation and comparative analysis of commercial variable-capacitance MEMS accelerometers. Acar C., Shkel A M., University of California, 2003. ht tp:/ /ww w.repositories.cdlib.or g/ cgi/viewcontent.cgi?article=1674&.../ viewcontent.pdf

74. Differential capacitive transducer and method of making. US Patent 4 825 335. Опубл. 25.04.1989 (Endevco Corporation).

75. Chu A. Accelerometer selection based on applications. Endevco Technical Paper TP291.

76. Sill R. D. A 70g full scale accelerometer designed to survive 100,000g overrange. Endevco Technical Paper TP300.

77. Whittier R. and Connolly T. Miniature accelerometers for measuring inertial motions and surviving high g shock inputs. Endevco Technical Paper TP303.

78. Monolithic silicon acceleration sensor. US Patent

6 829 937. Опубл. 14.12.2004 (VTI Holding Oy).

79. Capacitive acceleration sensor. US Patent 6 938 485. Опубл. 6.09.2005 (VTI Technologies Oy).

80. Method for manufacturing a silicon sensor and a silicon sensor. US Patent 6,998,059. Опубл. 14.02.2006 (VTI Technologies Oy).

81. MEMS Sensors Are Driving the Automotive Industry. Weinberg H. Analog Devices, Inc. Sensors Magazine, Feb 2002. ht tp:/ /w ww.sensorsmag.c om/ articles/0202/36/main.sht ml

8 В настоящий момент компания УТ1 сняла с производства акселерометры БСАПО и БОА 111 (рис. 1о), 5СА115Т и БСА125Т, 5СА114Т и 5СА124Т, БСАбОО и БСА320.