CC BY
17144 www.finestreet.ru компоненты датчики
Юрий ЛЕВАШОВ
levashov@alkon.net
Акселерометры
компании MEMSIC, Inc.
Отличительной особенностью всех тепловых акселерометров компании MEMSIC, Inc. является отсутствие движущихся механических частей. Ускорение в датчике измеряется с помощью нагретого пузырька воздуха, который под действием сил ускорения и гравитации перемещается над расположенными под ним термопарами. Результат — высокая надежность сенсора, позволяющая ему выдерживать значительные перегрузки без нарушения работоспособности.
В статье дан обзор и приведены основные технические характеристики тепловых акселерометров MEMSIC.
О компании MEMSIC, Inc.
MEMSIC, Inc. — американская компания, головной офис которой находится в Северном Андовере (штат Массачусетс). Занимается разработкой и производством однокристальных КМОП-акселерометров. Массовое производство акселерометров, которым занимается дочерняя компания MEMSIC Semiconductor Co., Ltd., размещено в Китае, в г. Уси (120 километрах от Шанхая).
MEMSIC — первая в мире компания, которая объединила инерциальный МЭМС-сенсор со схемой обработки сигнала в однокристальной микросхеме, совмещая при этом уникальную технологию тепловых акселерометров и стандартный КМОП-про-цесс производства интегральных схем. Комбинация технологий позволила создать акселерометр с улучшенными техническими показателями, высокой надежностью и более низкой ценой, в сравнении с существующими в мире аналогами.
Принцип работы тепловых акселерометров
Принцип работы тепловых акселерометров основывается на тепловой конвекции и заключается в измерении величины смещения шара нагретого воздуха (сейсмической массы) при его движении с ускорением в герметичной воздушной полости над полупроводниковой подложкой в корпусе датчика.
Миниатюрность и отсутствие твердотельных движущихся масс позволяют сохранить работоспособность акселерометров при перегрузках в 25 000 g (некоторые акселерометры выдерживают 50 000 g), что доказано проведенными лабораторными испытаниями. (Теоретический предел перегрузок находится на уровне в 100 000 ^)
«Сердцем» тепловых акселерометров, разработанных компанией МБМБЮ, является размещенный на полупроводниковой подложке блок с нагревательным элементом и симметрично расположенными вокруг него термопарами (рис. 2).
При подаче напряжения питания над нагревательным элементом образуется область нагретого воздуха шарообразной формы. Максимальная температура газа в герметичной полости будет приходиться на центр этой области и постепенно спадать по мере удаления от нагревательного элемента.
Расположенные вокруг нагревательного элемента термопары регистрируют температуру окружающего их воздуха и формируют сигнал для схемы его обработки.
В статическом режиме (в отсутствие ускорения) температура воздуха над термопарами будет постоянной.
При приложении к акселерометру внешнего воздействия, например силы ускорения или вибрации, область нагретого воздуха, расположенная над центром нагревательного элемента, смещается в сторону направления воздействия, поскольку плотность холодного воздуха вокруг шара выше, чем теплого воздуха над нагревательным элементом.
В результате термопарами будет зафиксировано изменение температуры окружающе-
ВОЗДУШНАЯ
полость
ВОЗДУШНАЯ
полость
НАГРЕТЫЙ
ВОЗДУХ
ВОЗДУШНАЯ
ПОЛОСТЬ
НАГРЕТЫЙ
ВОЗДУХ
1 Xі ■х1
ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛ ЬНЫЙ
ЭЛЕМЕНТ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ЭЛЕМЕНТ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ЭЛЕМЕНТ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ПОДЛОЖКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ПОДЛОЖКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
ПОДЛОЖКА
Рис.1. Принцип работы теплового акселерометра MEMSIC
датчики
компоненты
45
го их воздуха (температурный градиент), влияющее на их сопротивление. С выходов дифференциальной конфигурации термопар, подобной мосту Уитстона, снимается дифференциальный сигнал, пропорциональный ускорению, по разности значений которого определяется величина и направление внешнего воздействия. Полученный сигнал поступает на схему обработки, для его усиления, фильтрации шумов и формирования выходного сигнала в соответствии с требуемой спецификацией акселерометра. На рис. 1 показан пример изменения положения нагретой области газа вследствие ускорения.
Компания МЕМ8ІС выпускает следующие типы тепловых акселерометров:
• акселерометры со стандартной разводкой выводов;
• акселерометры общего назначения с низким уровнем шумов;
• прецизионные датчики наклона;
• акселерометры с низкой потребляемой мощностью;
• акселерометры для мобильных приложений;
• недорогие акселерометры с расширенным температурным диапазоном.
В таблице представлена линейка тепловых акселерометров компании МЕМ8ІС с расширенным диапазоном рабочих температур.
МХЛ2500ЛЬ — недорогой двухосевой тепловой акселерометр с аналоговым выходом, предназначенный для измерения ускорений в диапазоне ±1 g, чувствительность 500 мВ/§ при 25 °С (по согласованию с заказчиком пределы измерения могут быть увеличены до ±10 g). Акселерометр позволяет измерять как динамическое, так и статическое ускорение. Диапазон рабочих температур акселерометра от -40 до +105 °С.
Особенности:
• совмещение на одном кристалле акселерометра и схемы обработки сигнала;
• разрешающая способность менее 2 мg;
• напряжение питания 2,7-5,25 В;
• габариты 5x5x2 мм;
• перегрузка 50 000 g.
МХС62020/И/М/Ы — двухосевой акселерометр с малым энергопотреблением, интерфейсом І2С, предназначенный для измерения ускорений в диапазоне ±2 g. Чувствительность датчика, в зависимости от модели О/И/М/Ы, может быть 512 бит^ (О/М) или 128 бит^ (И/Ы) при напряжении питания 3 В и температуре 25 °С. Акселерометр измеряет динамические и статические ускорения (в т. ч. гравитацию).
Особенности серии МХС62020/И/М/Ы:
• диапазон ускорений ±2 g;
• І2С-интерфейс;
• встроенная функция самодиагностики и контроля питания;
• напряжение питания 2,7-3,6 В;
• малая потребляемая мощность — менее 2 мА при напряжении 3,0 В;
• разрешающая способность 1 мg;
• малые габариты: 5,0x5,0x1,55 мм.
і
CLK
Temperature
Sensor
о Tout
Voltage
Reference
о Vref
Heater
Control
Continous Self Test
Low Pass Filter
Factory Adjust Offset & Gain
Y axis
Aout X
Low Pass
Filter
Рис. 2. Блок-схема и топология кристалла теплового акселерометра MEMSIC
Отличительная особенность акселерометра MXC6202G, по сравнению с предшественниками, — поддержка двунаправленной шины передачи данных I2C, которая является стандартным интерфейсом акселерометра в режиме I2C slave.
Это позволяет быстро и качественно, без применения дополнительных аппаратных средств (два АЦП интегрированы в датчик), организовать последовательный цифровой интерфейс взаимодействия с микроконтроллером.
Устройство master I2C может управлять вызовами циклов чтения-записи данных нескольких устройств посредством адресации к их внутренней памяти.
Акселерометр MXC6202G, в соответствии с протоколом сети, выполняет функцию ведомого устройства (slave), при этом используется специальная 7-битная адресация данных, а восьмой бит индицирует направление передачи.
При получении 8-битного сигнала чтения в течение следующих девяти циклов акселе-
рометр будет передавать З байт данных по шине I2C, хранящихся во внутренней памяти датчика:
• регистр контроля (адрес 0x00): содержит флаг-биты питания, температуры и самодиагностики;
• старший байт оси — X (адрес 0x01);
• младший байт оси — Х (адрес 0x02);
• старший байт оси — Y (адрес 0x03);
• младший байт оси — Y (адрес 0x04). Внутренняя структура датчика организована по принципу блокнотной памяти и содержит рабочие регистры, с помощью которых осуществляется процесс чтения/записи информации.
Сферы применения MXC6202G/H/M/N:
• игровые устройства — джойстики, RF-интерфейс, селекторы меню, датчики наклона;
• GPS — электронные компасы (корректоры угла наклона), счисление пути;
• бытовая электроника — LCD-проекторы, шагомеры, цифровые камеры, сотовые телефоны, карманные компьютеры, тонометры.
Таблица. Тепловые акселерометры компании МБМБЮ с расширенным диапазоном рабочих температур
Диапазон
ускорений
Чувстви-
тельность
Температурный
диапазон
Аналоговый радиометрический MXR7210ML +/-10g 100 мВ/g 40 "C...+105 "C Стандартная разводка выводов
MXR7202ML +/-2g 312 мВ/g
Цифровой ШИМ MXD7210ML +/-10g 4%g
MXD7202ML +/-2g 12,5%/g
Аналоговый абсолютный MXA2500ML +/-1g 500 мВ/g -40 "C...+105 "C Общего назначения, низкий уровень шумов
Цифровой ШИМ MXD2020ML +/-1g 20%/g
MXD2125ML +/-2g 12,5%/g
Аналоговый радиометрический MXR2999EL +/-1g 1000 мВ/g о + и 0 -4
MXR2999ML +/-1g 1000 мВ/g -40 "C...+105 "C
MXR2312EL +/-2g 312 мВ/g
MXR2312ML +/-2g 312 мВ/g
Аналоговый абсолютный MXA2500EL +/-1g 500 мВ/g -40 "C...+105 "C Прецизионные датчики угла наклона
Цифровой ШИМ MXD2020EL +/-1g 20%/g
Аналоговый абсолютный MXA2500AL +/-1g 500 мВ/g -40 "C...+105 "C Низкая цена
MXA2312AL +/-2g 312 мВ/g
MXA2100AL +/-5g 100 мВ/g
MXA2050AL +/-10g 50 мВ/g
Аналоговый радиометрический MXR2050AL +/-10g 50 мВ/g
Цифровой ШИМ MXD2020AL +/-1g 20%/g
MXD2004AL +/-5g 4%/g
MXD2002AL +/-10g 2%/g
Тип выхода
46
компоненты
датчики
Акселерометры МХС62020/И/М/Ы поставляются в компактном герметичном низкопрофильном корпусе поверхностного монтажа ЬСС размерами 5,0x5,0x1,55 мм. Диапазон рабочих температур от -40 до +85 °С (М/Ы) и от 0 до +70 °С (О/И).
С июля 2005 года компания МЕМ8ІС приступила к выпуску трехосевых акселерометров, отличающихся ортогональным расположением двух датчиков, встроенных в один корпус акселерометра, предназначенного для поверхностного монтажа. Первый акселерометр измеряет ускорения в плоскостях X и У, второй измеряет ускорение в плоскости Конструкция трехосевого акселерометра серии МХИ950002 показана на рис. 3.
Трехосевой акселерометр МХИ9500С2 выпускается в корпусе поверхностного монтажа с размерами 7х7х1,8 мм. Напряжение питания 2,7-3,6 В. Тип выхода — аналоговый ра-тиометрический. Чувствительность акселерометра 500 мВ^, точность — 5%. В будущих модификациях модель будет выпускаться с поддержкой шины 12С.
Сферы применения акселерометров:
• датчики движения человека;
• автомобильные охранные сигнализации;
• системы измерения и компенсации угла наклона в различных приложениях;
• игровые устройства;
• мобильные телефоны, PDA;
• LCD-проекторы;
• электронные компасы, системы навигации;
• фото- и видеокамеры.
Акселерометры широко используются для
измерения сил инерции, наклона, вибраций, контроля ударов и столкновений в разнообразных устройствах, например стиральных машинах, весах, системах позиционирования антенн, в робототехнике и автомобилях.
К примеру, акселерометры активно устанавливаются в автомобилях, как самими производителями автомобилей, так и производителями автомобильных противоугонных систем. Одним из наиболее популярных методов кражи автомобилей является буксировка автомобиля. Обычные автомобильные сигнализации не имеют защиты от такого приема, так как используют датчики, основанные на магнитоиндуктив-
ном принципе работы. Один из их главных недостатков — нечувствительность к статическому ускорению, например наклону автомобиля. Магнитоиндуктивные датчики не реагируют на изменение наклона, а системы блокировки зажигания в данном случае не помогут. Простым, но очень эффективным решением в этой ситуации стало применение акселерометра, имеющего достаточно высокое разрешение. Акселерометр реагирует, если наклон автомобиля изменяется быстрее, чем на 0,5 градусов за минуту. При этом происходит срабатывание сигнализации, что вынуждает угонщиков оставить автомобиль.
Компания MEMSIC также разработала несколько оригинальных моделей устройств со встроенным МЭМС-акселерометром. Многие из своих моделей компания MEMSIC представляла на выставке Sensors Expo 2002 года, например сотовый телефон с акселерометром.
Непростая задача — просмотреть интернет-страницу на экране сотового телефона размером 5x5 см. Но она легко решается с помощью МЭМС-датчика, позволяющего воспроизводить левую сторону страницы при наклоне трубки влево, и правую сторону — при наклоне вправо, и даже увеличивать изображение, приближая трубку к себе. Применение акселерометров в мобильных устройствах позволит получить большую свободу
действий и обеспечивает больше возможностей для пользователя.
Другим из занимательных примеров применения акселерометров в мобильных приложениях является способ набора номера абонента. Номеру присваивается свое числовое или буквенное обозначение, информация заносится в память телефона. В дальнейшем, чтобы набрать этот номер, пользователь телефоном «чертит» в воздухе нужный символ или цифру, микроконтроллер телефона получает данные от акселерометра, распознает их и сопоставляет с требуемым номером абонента. Таким образом отпадает необходимость в постоянном обращении к адресной книге, и телефон превращается в «волшебную палочку», по единому взмаху которой можно набрать номер, Наглядно промоделировать этот пример для разных типов акселерометров можно с использованием программной среды G-Force LAB. Бесплатную версию программного обеспечения можно загрузить с веб-сайта компании MEMSIC (www.memsic.com),
Модели акселерометров MEMSIC, рекомендуемые для мобильных приложений: MXA6500MP, MXR6800M, MXC6202xxx.
Макетные и демонстрационные платы
Для ознакомления со своей продукцией компания MEMSIC выпускает большое количество макетных и демонстрационных плат, которые позволяют оценить работу акселерометра и смоделировать конечное устройство. Рассмотрим некоторые из них.
MXEB-002 L — базовый модуль, содержащий минимально необходимый набор компонентов обвязки акселерометра для обеспечения нормальной работы (рис. 6),
Набор предназначен для совместной работы с платой MXEB-232-xxx (рис. 7). Плата поддерживает протокол RS-232 и подключается к персональному компьютеру. Макетирование работы акселерометра проводится под управлением программной среды G-Force LAB.
Рис. 5. Составные части автомобильной сигнализации
датчики компоненты
47
Рис. 6. Демонстрационный модуль МХЕВ-002 1_
К-1-7Т77Ш ИЖШШ
SjlllH8HIII
Low Coat ммзх:
Small Sire ” JjjjL .,
Nigh Quality и | .???. i
High notability ~|g Ш41ЫЮ15ио High Performance —tatf
hap^Aw*w.merretlc.co'- ’ n«™«
Светодиодная индикация отклонений и движения
Демоплата (рис. 8) наглядно иллюстрирует пользователю пример того, как акселерометр используется для измерения наклона (отклонения), удара, вибрации или ускорения. Пользователь может вращать плату, как по часовой стрелке, так и против, наблюдая за свечением светодиодов. Можно также визуально оценить влияние гравитации в различных режимах. С этой целью на плате установлен микроконтрол-
Рис. 8. Светодиодная демоплата
лер с соответствующим программным обеспечением, позволяющим управлять светодиодами.
Бокс демонстрации угла наклона
Бокс позволяет измерять углы наклона относительно вертикальной плоскости. Чувст-
вительность изделия 0,1—0,3 градусов^, диапазон угловых измерений 0—360 градусов.
Бокс выполнен таким образом, что позволяет одновременно измерять угол наклона и температуру окружающего воздуха с помощью встроенного в акселерометр датчика температуры.
Перед работой устройства необходимо провести его предварительную калибровку, выставив нулевое положение прибора.
Механическая развертка изображения
Конструктивно эта демонстрационная плата представляет собой линейку с напаянными на нее в один ряд светодиодами. На конце линейки расположен акселерометр. Расположенный на плате микроконтроллер производит обработку сигнала акселерометра и управляет работой светодиодов в зависимости от выбранного режима.
При быстром перемещении платы вправо и влево происходит отображение картинки, программная модель которой была заранее занесена в память микроконтроллера. По сути, в зависимости от угла отклонения светодиодной линейки, а он определяется акселерометром, микроконтроллер «зажигает» определенные светодиоды. Из-за инертности человеческого зрения мы будем видеть находящееся в воздухе изображение — например смайлик или текстовую надпись.
Объем журнальной статьи не позволяет целиком и полностью охватить всю продукцию, поэтому заинтересовавшимся читателям мы рекомендуем посетить сайт компании МБМ81С (www.memsic.com). ■
