CC BY
118Введение в High-End сегменты
применений МЭМС-технологии
Актуальные новости и предложения компонентов от ведущих производителей МЭМС для High-End применений — постоянная тема для обсуждения и источник приложения сил российских разработчиков, успешно реализующих бизнес-модель разработки на уровне применения покупного компонента в составе электронного модуля собственной разработки (компонента следующего уровня иерархии или системы). Данный обзор — для них. В статье представлен обзор современных применений МЭМС-технологий в сегментах рынков, обобщаемых названием high-end.
Продолжение. Начало в № 10 2010
Светлана СЫСОЕВА
Инерциальные компоненты — ключевой High-End сегмент сбыта МЭМС
Инерциальные компоненты и системы (компоненты системного уровня) — ключевые сегменты во многих отраслях промышленности, в том числе в военной, аэрокосмической и других High-End отраслях.
Так, использование блоков инерциальных измерений (IMU) и других инерциальных систем, основанных на гироскопах с высокими рабочими характеристиками, распространено в навигации, для контроля полета или стабилизации. МЭМС-гироскопы достигли тактического уровня исполнения, что допустило снижение цены в тех применениях, где ранее использовались так называемые традиционные и сравнительно дорогие технологии гироскопов FOG и RLG. Согласно недавно опубликованным данным Yole Development (www.yole.fr), рынок IMU составил $1,55 млрд в 2009 году, с доминированием в военных и аэрокосмических применениях [11]. Специалисты Yole рассчитали рост рынка IMU — порядка 9% ежегодно, вследствие чего в этом рыночном сегменте ожидается достижение объемов продаж в $2,6 млрд в 2015 году. В последующие годы будут наиболее динамичными промышленные, коммерческие морские, оффшорные (прибрежные) применения: Yole ожидает их ежегодный рост порядка 16,5%, а для аэрокосмических и военных рынков ежегодный рост прогнозируется ограниченным — до 5,5% и 6,8% соответственно.
Самое заметное влияние на этом рынке сейчас оказывает факт достижения тактического уровня исполнения для МЭМС-гироскопов, которые могут поставляться как автономные инерциальные устройства или объединяться с другими типами датчиков. Для наиболее динамично развивающейся группы МЭМС-датчиков — промышленных
и тактического уровня исполнения — Yole публикует следующие цифры ожидаемого рыночного роста: от $361,8 млн в 2009 году до $604,6 млн в 2015 году для одиночных МЭМС-акселерометров и гироскопов или сборок МЭМС-акселерометров/гироскопов.
А в качестве общей характеристики рыночной сегментации High-End МЭМС датчиков инерции по-прежнему может послужить обзор, выполненный в начале 2010 года [2]. Но закономерно, что появляются новые игроки.
Прошло совсем немного времени после публикации [2], и в этот сегмент вошел следующий игрок — компания MEMSIC (www. memsic.com), которая прежде специализировалась на поставках МЭМС-акселерометров для массовых (автомобильных и потребительских) и недорогих рынков. Сейчас, помимо ASIC-датчиков для различных автомобильных систем — динамической стабилизации (ESC/VSC), детектирования крена (rollover), электронной парковки тормозов (EPB), — компания MEMSIC предлагает клиентам широкий диапазон High-End MEMS сенсорных решений. В текущем году MEMSIC приобрела компанию Crossbow Technology, Inc. (www.xbow.com), с целью охватить авиационные, промышленные и другие High-End рынки инерциальных систем — на основе датчиков инерции и магнитометров.
Несколько ранее компания MEMSIC была известна своей уникальной тепловой технологией производства акселерометров, в которой для измерения ускорения используется конвекционный метод передачи тепла. Дизайн отличается полным отсутствием подвижных механических частей и вследствие этого — высокой надежностью и устойчивостью к ударам до 50 000g. Автономные инер-циальные компоненты MEMSIC представляют собой датчики системного уровня — это однокристальные MEMS-устройства, объединенные со CMOS-схемой. Но эта тех-
нология разработана для потребительских, автомобильных и некоторых коммерческих применений, а в контексте данной статьи представляют интерес новые предложения компонентов от MEMSIC — High-End автономные компоненты и интегрированные мультисенсорные системы (рис. 5) [12].
Линейка автономных компонентов и модулей MEMSIC включает:
• одно- и трехосевые акселерометры (GP, TG);
• одно- и двухосевые МЭМС-датчики наклона
(CXTA, CXTLA, CXTILT);
• трехосевые магнитометры (CRM, CHS).
Технология акселерометров GP и TG —
кремниевая емкостная МЭМС, дающая характеристики датчиков, сравнимые с пьезоэлектрическими и пьезорезистивными технологиями акселерометров, но по более низкой цене. GP серия акселерометров предназначена для сбора данных в реальном времени в системах мониторинга вибрации, автомобильного тестирования, мониторинга ветровых турбин, текущего контроля (Condition Monitoring), технического обслуживания, основанного на прогнозировании запаса надежности (Predictive Maintenance).
Серия TG 3-осевых акселерометров (рис. 5а, табл. 4) объединяет датчики диапазонов ±2g и ±10g с высокими рабочими характеристиками, в которых трехслойные дифференциальные емкостные МЭМС сенсорные элементы обеспечивают ультрамалый шум (20 м^/^Гц) и стабильность (±8,5 мg для диапазона ±2g и ±12 мg для диапазона ±10g, после температурной компенсации).
Серия TG включает встроенный датчик температуры, полную обработку сигнала, необходимую для получения одноконечного стандартного аналогового выхода, и фабрично калибрована. Типичные применения — сейсмология, прецизионное измерение наклона, стабилизация антенн, кратковременная навигация.
Таблица 4. Некоторые технические данные автономных инерциальных компонентов MEMSIC
Параметр/датчик CXLTG
CXL02TG3 CXL10TG3
Описание 3-осевой акселерометр с высокими рабочими характеристиками
Рабочий диапазон, °/с ±2 ±10
Стабильность смещения, мд ±8,5 ±12
Выход на 0д, В ±(2,5 ±0,01)
Температурный дрейф смещения, мкВ/°С 170
Чувствительность, мВ/д 833 ±67 1 167 ±13
Выходной диапазон, В 0,5-4,5
Поперечная чувствительность, %FS* <3
Нелинейность, %FS <1,5
Невыравнивание, %FS <1
Шумовая плотность, мкд/^Гц 20
Шумы в частотной полосе 100 Гц, мд 0,6
Частотная полоса >200
Точность датчика температуры, °С <3
Рабочая температура, °С -40...+85
Удары, д 1000 (в течение 1 мс)
Вибрация (20-500 Гц), д rms 20
Напряжение питания, В 3,3-5
Ток потребления, мА <2
Размеры,см 5,68x3,65x2,81
Вес, кг <0,11
Примечание.
* Здесь и далее FS (Full Scale) — полный диапазон.
Инклинометры CXTA и CXTLA — это аналоговые датчики наклона в диапазоне ±75° (CXTA) или ±20°, но с более высоким разрешением и точностью (CXTLA). CXTILT — цифровые датчики наклона (±75°), характеризующиеся динамическим срабатыванием, высоким разрешением и измерительной точностью (до ±0,2°) (табл. 5). Рекомендованные применения инклинометров — конструкции и конструкционное оборудование.
Следующие новые предложения MEMSIC представляют собой fluxgate-магнитометры, оба из которых включают к тому же МЭМС-акселерометры. Дистанционные магнитометры серии CRM (рис. 5б) представляют собой 3-осевую strap-down систему измерения магнитного поля и предназначены для выполне-
Таблица 5. Технические данные автономных инерциальных компонентов MEMSIC
Параметр/датчик схтто2
ЕС Е
Описание Высокоточная серия цифровых инклинометров
Рабочий диапазон, ° ±75
Точность, ° ±0,2 | ±0,4
Нулевое угловое смещение, ° <0,5
Поперечная чувствительность, %FS* <1
Нелинейность, %FS <0,3 | <3
Рабочая температура, °С -40...+85 или 0...+70 (исполнение Е)
Выход RS-232, разрешение и настройки фильтра программируются пользователем
Напряжение питания, В 8-30
Ток потребления, мА 60
Размеры, см 10,21x5,74x3,15
Вес,кг <0,166
Рис. 5. Новые автономные компоненты и интегрированные мультисенсорные инерциальные системы MEMSIC/Crossbow: а) кремниевые емкостные акселерометры серии TG, отличающиеся малым шумом и высокой стабильностью; б, в) 3-осевые компоненты для измерения магнитного поля — fluxgate-магнитометры, объединенные с МЭМС-акселерометрами: серии CRM (б) и CHS (в);
г) NAV440 — пример МЭМС инерциальной системы со встроенным GPS-ресивером;
д) наиболее широко используемая в авионике МЭМС AHRS — AHRS500;
е) встраиваемая МЭМС-карта Attitude&Heading Card (AHC525); ж) серия 800 высокостабильных (<3°/ч) МЭМС VG/IMU
ния опорных измерений при использовании совместно с AHRS500/510.
Датчики курса серии CHS (рис. 5в) с высокими рабочими характеристиками, калиброванные и обладающие малым диаметром, рекомендуются для прицепных массивов сонаров (towed sonar array, звуковые локаторы), сейсмических стримеров и других применений. CHS-датчики выполнены в strap-down конфигурации1, в устройстве 3-осевой fluxgate-магнитометр и 3-осевой МЭМС-акселерометр объединены с цифровой обработкой сигнала в корпусе малого диаметра.
High-End интегрированные мультисенсорные системы объединяют следующие решения и технологии:
• инерциальные измерительные блоки (IMU);
• системы определения положения и курса Attitude Heading Reference Systems (AHRS/NAV);
• вертикальные гироскопы (Vertical gyroscopes, VG);
• волоконно-оптические гироскопы (FOG);
• МЭМС-акселерометры;
• МЭМС-гироскопы;
• магнитометры;
• технологии GPS, высокоскоростной ЦОС,
алгоритмы фильтрации Калмана.
Полупроводниковые инерциальные системы предназначены для авиации и беспилотных транспортных средств. Это компоненты, работающие без помощи и обладающие высокими характеристиками. Инерциальные системы (strap-down inertial system) обеспечивают измерения положения и курса со статической и динамической точностью, сравнимой с традиционными технологиями spinning mass и directional gyros.
Семейство NAV включает NAV420 и NAV440 (рис. 5г, табл. 6) — AHRS, интегрированные с GPS, в компактном и защищенном от внешней среды корпусе. Инерциальные датчики в БИИ — МЭМС-типа. В системной архитектуре NAV420 и NAV440 скомбинированы сразу все доступные функции — IMU, VG, AHRS и GPS со встроенной защитой от электромагнитной интерференции. Технологическое ядро включает алгоритмы и методы обработки сигнала GPS и данных IMU. Назначение продуктов NAV заключено в их названии — для целей навигации в реальном времени и последующей обработки данных (post mission2), высокоточно-
1 Система strap-down включает три осевых гироскопа, закрепленных ортогонально, зафиксированных механически (strapped down) на корпусе самолета или другого транспортного средства. Гироскопы измеряют перемещение корпуса. Углы относительно горизонта и курс вычисляются математически.
2 Для того чтобы гарантировать, что автономное транспортное средство выполняет свою миссию, и для получения высокоразрешающих и точных карт данных о положении и ориентации беспилотных транспортных средств, перечень которых включает:
• UAV (Unmanned Aerial Vehicle);
• UUV/AUV (Unmanned/Autonomous Underwater Vehicle);
• USV (Unmanned Surface Vehicle);
• UGV (Unmanned Ground Vehicle);
• ROV (Remote Operated Vehicle);
данные должны быть точно известны и собраны в процессе осуществления задания/миссии. Эти рабочие данные будут использоваться в течение последующей обработки данных post-mission.
Таблица б. Сравнительные технические данные ряда МЭМС инерциальных систем от MEMSIC
Параметр/датчик NAV440 AHRS500 VG/IMU800
Описание МЭМС инерциальная система, интегрированная с GPS Система измерения ориентации и курса МЭМС вертикальный гироскоп/БИИ, отличающийся малым дрейфом
Положение/скорость
Точность измерения положения, м < 2,5 _** _**
Точность измерения скорости X, Y, м/с rms 0,4 _** _**
Точность измерения по оси Z, м/с rms 0,5 _** _**
Точность 1PPS, нс ± 50 _** _**
Курс (Heading)
Диапазон,0 ± 180 ± 180 _**
Точность, " <1 (1a) 2 (2a) _**
Разрешение, " < 0,02 0,1 _**
Положение в пространстве (Attitude)
Диапазон: крен (Roll), продольный наклон (Pitch), ° ±180, ±90
Точность, ° < 0,2 (1a) 1 (2a) Статическая точность < 0,25 (1a); динамическая точность <0,5 " rms
Разрешение, ° < 0,02 < 0,1 < 0,03
Угловая скорость
Диапазон: Roll, Pitch, Yaw, °/с ±200 (±400 как опция) ±200 ±200
Стабильность смещения In-Run, °/ч; смещение, °/с <10 Г/ч) < ±0,1 Г/с) <3 Г/ч)
Температурная стабильность смещения, °/с (1а) <0,02 _** _**
Точность чувствительности, % _** _** <1
Нелинейность, %FS _** _** <0,1
Разрешение, °/с <0,02 <0,15 <0,025
Частотная полоса, Гц 25 25 50
Угловой случайный уход, °/^ч _** _** <0,1
Ускорение
Входной диапазон: X/Y/Z, g ±4 (±10 как опция) ±10 ±5
Стабильность смещения In-Run / смещение, мд <1 < ±15 (смещение) <1
Температурная стабильность смещения, мд (1а) <4 _** _**
Точность чувствительности, % _** _** <1
Нелинейность, %FS _** _** <0,1
Разрешение, мд <0,5 <2 <0,5
Частотная полоса, Гц 25 25 50
Угловой случайный уход, м/с/^ч _** _** <0,5
Прочие характеристики
Рабочая температура, °С -40...+71
Степень защиты IP66 Уплотненный корпус _**
Входное напряжение, В DC 9-42 12 или 24 10_32
Потребление мощности, Вт <4 <4 <5
Цифровой интерфейс RS-232 RS-232 RS-232/RS-422
Аналоговый интерфейс _** _** ±5, ±10, 0_5 В
Размеры,см 7,62x9,53x7,62 11,84x11,51x12,35 10,16x10,16x7,4
Вес, кг 0,58 1,6 1,6
Примечание. ** Здесь и далее: параметры не актуальны; не специфицируются; нет данных.
го позиционирования и определения положения (attitude: yaw, roll, pitch) маневровых платформ воздушных систем (беспилотных UAV и самолетов), наземных машин (танков, HUMVEE3), морских кораблей.
NAV420/440 поставляют полные инерциальные данные (углы, показатели угловой скорости, ускорения), данные о положении GPS и производной скорости, полученной на основе инерциальных измерений, что дает улучшение в стабильности и снижение латентности (задержки по времени между запросом и доступностью) в сравнении с автономными измерениями скорости GPS.
Следующее семейство продуктов MEMSIC — AHRS, которое предназначено для измерения углов крена, атаки и курса Roll, Pitch и Heading, комбинирует технологии вертикальных и направленных гироскопов (Vertical Gyro, Directional Gyro). Сенсорная технология, которая использована в AHRS-серии твердотельных инерциальных измерительных систем, — МЭМС.
AHRS440 — компактная, а AHRS510 — высоконадежная AHRS-системы, основанные на МЭМС.
AHRS500 (рис. 5д, табл. 6) — это наиболее широко используемая для апгрейда авионики МЭМС AHRS. Сертифицированная FAA AHRS500GA испытана в условиях эксплуатации и применима на более чем 500 самолетах с фиксированными и роторными крыльями.
AHRS500 и AHRS510 сертифицированы согласно тестовым стандартам TSO C4c и TSO C6d; квалифицированы DO-160 и DO178B Level C. Выход AHRS500 — RS-232. AHRS510GA, также испытанная в условиях эксплуатации, дополнительно имеет выходы на шине ARINC 429.
AHC525 (рис. 5е) представляет собой специально разработанную карту Attitude Heading Card — встроенную AHRS высокого уровня исполнения, специально разработанную для интеграции в пределах систем стеклянной приборной панели, управления полетом и резервных индикаторов положе-
ния (Standby Attitude Indicators). Система одобрена FAA для использования в самолетах и с фиксированными, и с роторными крыльями, согласно DO-178B Level A.
Традиционные вертикальные гироскопы (Vertical Gyros) используют механически подвешенную гиросистему, которая переводится в вертикальное положение, срабатывая на гравитационную опору для обеспечения измерений углов крена и наклона (pitch) относительно земных горизонтальных осей. MEMSIC VG реализованы на основе FOG и МЭМС сенсорных технологий, выполняют измерения угловой скорости и линейного ускорения, что позволяет создавать электронно-стабилизированные VG, без типичных ограничений ориентации, подготовки и надежности традиционных систем.
VG320CA представлен как прочная система начального уровня для OEM и коммерческих применений, чувствительных к цене. Производитель выделяет VG440CA как высоконадежный и маломощный strap-down вертикальный гироскоп. VG700CB представляет собой высокостабильные волоконнооптические гироскопы третьего поколения с дрейфом менее 20°/ч, а VG700AB сконструированы специально для автомобильных тестовых применений. VG800CA (рис. 5ж, табл. 6) представляет собой высокостабильный (3°/ч) вертикальный МЭМС-гироскоп для коммерческих и автомобильных применений.
Семейство IMU компании MEMSIC обеспечивает обнаружение движения с 6 степенями свободы 6DOF для применений в контрольноизмерительной технике и навигационных системах. Угловая скорость и линейное ускорение измеряются вокруг трех ортогональных осей.
MEMSIC IMU320 представляет собой MEMS-решение начального уровня, IMU440 — твердотельный IMU, использующий наиболее позднюю МЭМС сенсорную технологию, скомбинированную с цифровой обработкой сигнала для обеспечения надежной, легкой в использовании инерциальной системы в малом легком корпусе. IMU700CB — это третье поколение высокостабильного волоконно-оптического IMU. IMU800CA — высокостабильный (<3°/ч) IMU (табл. 6).
В линейке инерциальных систем представлен также аналоговый интерфейсный адаптер NAV-DAC440 — интерфейс для клиентов, использующих инерциальные датчики серии 440 в аналоговых применениях. NAV-DAC440 преобразует последовательные цифровые выходы RS-232 от устройств серии 440 в аналоговые постоянные напряжения [12].
Многие из рассмотренных продуктов сертифицированы Федеральной Авиационной Комиссией США (FAA) и широко применяются или рекомендованы к применению в авиации и беспилотных аппаратах — летательных, наземных, подводных.
Все они представляют собой результат объединения бизнеса MEMSIC с компанией Crossbow [13] — лидирующим поставщиком
3 Humvee, «хамви» — гражданская версия американского армейского вездехода повышенной проходимости HMMWV (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle, высокомобильное многоцелевое колесное транспортное средство), стоящего на вооружении многих стран мира. Производитель — AM General. Впоследствии название Humvee было заменено на Hummer.
Таблица 7. Сравнительные технические данные гиродатчиков компании Sensonor
Параметр/Датчик STIM202 SAR100 SAR150
Входной диапазон (FS*), °/с ±400 ±250 и ±100
Разрешение, бит 24 12 для данных угловой скорости
Чувствительность, °/c/LSB _** 0,25 в диапазоне ±250; 0,1 в диапазоне ±100
Точность смещения, °/ч ±250 _** _**
Стабильность смещения In-Run, °/ч 0,5 72 (0,02°/с) 50
Угловой случайный уход ARW, °/^ч 0,2 _** 0,8 в диапазоне ±250 0,65 в диапазоне ±100
Шумы, °/с rms _** 0,25 в диапазоне ±250 0,15 в диапазоне ±100
Частотная полоса (-3 дБ), Гц 262 50
Нелинейность 200 ppm (BSL в диапазоне ±200°/с) 0,1%FS
Точность чувствительности, % ±0,2 ±1
Температурная точность смещения, °/ч rms (1о) ±30 ±1800 (±0,5°/c)
Температурная точность чувствительности, % _** ±0,5
G-чувствительность, °/ч/д (или °/с/д) 18 180 (0,05°/с/д) 36 (0,01°/с/д)
Рабочая температура, °С -40...+85 -40...+90
Напряжение питания, В 5 (4,5-5,5)
Ток потребления, мА 200 17
Время при включении, с 10 0,09 (90 мс)
Частота сэмплинга, SPS 1000 2000
Динамическая перегрузка, °/c 5000 5000
Механические удары, д 1500 5000
Интерфейс RS-422, 921 600 bps SPI, 8,5 Мбит/с
Сброс TTL/CMOS уровни _** _**
Минимальное время сброса, мс 5 _** _**
Размеры, мм 44,75x38,6x20 11,43x11,43x4
Вес, г 55 1,5
Примечания. * Здесь и далее FS (Full Scale) — полный диапазон.
** Здесь и далее: параметры не актуальны; не специфицируются; нет данных.
Рис. 6. High-End МЭМС инерциальные датчики Sensonor Technologies:
а) STIM202 — мультиосевой гирокластер, отличающийся высокой стабильностью и точностью; б—в) прецизионные гироскопы в керамических корпусах для OEM,
характеризующиеся разной степенью стабильности и точности: SAR 100 (б), SAR150 (в)
инерциальных систем на военный рынок в течение последних 15 лет.
Ядро современной технологии основано на МЭМС датчиках инерции — компактных устройствах в масштабе кристалла на основе кремниевых структур, производимых посредством стандартных технологических процессов, известных своими преимуществами низкого энергопотребления, надежности, малого размера, низкой цены.
Разработки Crossbow включают набор алгоритмов для оптимизации системных характеристик наземных, воздушных, морских применений. Метод фильтра Калмана включает обратную связь от акселерометра, гироскопа, других вспомогательных сенсорных источников (GPS и магнитометра) для оптимальной корректировки ошибок датчиков инерции и состояния траектории в сложных рабочих условиях, типичных для военных продуктов.
В этих условиях необходима поддержка квалификационного тестирования и калибровки на соответствующей базе оборудования (мультиосевые столы угловой скорости и вибрации, генераторы магнитного поля и т. д.), возможностями использования которой Crossbow также располагает. Продукты Crossbow разрабатываются с целью соответствия следующим военным стандартам:
• MIL-STD-810;
• MIL-STD-704;
• MIL-STD-461;
• MIL-STD-1553.
Множество систем INS, авионики, контроля полета беспилотных UAV, стабилизации платформ электрооптических и ИК (EO/IR) систем, контроля спутниковых антенн SATCOM-On-The-Move Antennas, систем локации дальних целей (Far Target Location Systems) сегодня используют IMU Crossbow.
Полный перечень применений включает:
• Авионика и системы контроля полета.
• EO/IR Payloads (полезная нагрузка: электронно-оптические и ИК-камеры).
• Дальние системы целевой локации (Far Target Location Systems).
• GIS (геоинформационные системы, ГИС)/ Mapping (картирование).
• Системы обнаружения ракет и предупреждения.
• Unmanned Aerial Vehicles (UAV).
• Unmanned Ground Vehicles (UGV).
• Unmanned Surface (USV)
и Unmanned Underwater Vehicles (UUV).
В настоящее время компания Crossbow поставляет следующие продукты: NAV440, GNAV540, FOG VG700 MB, цифровой датчик наклона CXTD02 [13].
High-End датчики инерции Sensonor
Sensonor Technologies (www.sensonor. com) — разработчик, производитель и поставщик высокопрецизионных High-End
МЭМС инерциальных датчиков, датчиков давления и микроболометров.
Новейший высокопрецизионный продукт STIM202 (рис. 6а, табл. 7) представляет собой мультиосевой гирокластер с ультравысокими рабочими характеристиками на основе одного, двух или трех МЭМС-гироскопов для применений (в частности, замещений FOG) на аэрокосмическом и военном, а также других рынках. Высокие рабочие характеристики достигнуты во многом на уровне технологии. Дизайн ButterflyGyro дает малый размер и вес, высокую прочность, надежность, стабильность, низкие шумы, малое потребление мощности.
Модуль STIM упакован в малый корпус размерами 35,9x38,6x20 мм. Каждая ось фабрично калибруется по смещению и чувствительности, а также компенсируется для удаления температурных эффектов. Чувствительность к вибрации и ударам также снижена.
Полный входной диапазон угловой скорости STIM202 составляет 400°/с. Устройство —
цифровое, с разрешением 24 бит. Избирательные выходные форматы — угловая скорость или инкрементальный выход угла. Электрический интерфейс — питание +5 В и коммуникация посредством RS-422.
В гиромодуль встроен 32-битный RISC ARM микроконтроллер, который обеспечивает конфигурационную гибкость, выбор выходной единицы, частоту сэмплинга, среза ФНЧ, скорость передачи битов по RS-422, завершение линии ON/OFF. Диагностические функции гиромодуля позволяют сигнализировать о многих типах системных ошибок. STIM202 может быть запущен в сервисном режиме (Service Mode), в котором конфигурационные параметры могут быть временно или постоянно изменены посредством перезаписи текущих настроек во флэш-памяти. В сервисном режиме можно выполнять одиночные измерения и получать доступ ко многим диагностическим функциям.
Тонкопленочный
термисгорный
материал
Полимерный адгезив
Слой останова
Площадки
Пластина \ для обработки \ 4 Пластина для обработки L монтажа Соединения соединений болометра
, , , , , , , , -ь , , , , , , , , , ,_/ , | \ | , , i ' i i ' i i ' i i ' i
Пластина ROIC Пластина ROIC Пластина ROIC Пластина ROIC Пластина ROIC Пластина ROIC
Рис. 7. Процесс производства микроболометров IMAGIC Acreo
Доступны оценочные комплекты с интерфейсом USB- и PCI-карты для расширенного тестирования. Типичные применения включают AHRS, запись полета, стабилизацию платформ (антенн, камер, гироскопов (gimbals4)), дистанционные системы контроля оружия/вооружения (Remote Weapon Systems, RWS), ракеты (в том числе среднего радиуса действия), промышленные применения с высокими рабочими характеристиками, UAV, AUV, космические и другие применения.
Другие гиродатчики с высокими рабочими характеристиками от Sensonor — SAR100 и SAR150 (рис. 6б-в) [14]. Оба они являются высокопрецизионными калиброванными и компенсированными датчиками с SPI-интерфейсом, упакованными в прочный корпус LCC, допускающий горизонтальный или вертикальный монтаж в клиентском модуле. SAR150 отличается более высокой стабильностью смещения (in-run stability — 50°/ч).
Sensonor разрабатывает SAR500, являющийся следующим представителем семейства высокопрецизионных калиброванных и компенсированных цифровых гироскопов с SPI-интерфейсом в керамическом корпусе. SAR500 содержит МЭМС-часть на основе дизайна Butterfly и схему обработки сигнала на основе клиентской аналоговой ASIC с цифровой частью, которая может быть выполнена в FPGA или структурированной ASIC.
Разрабатываемое устройство — самое прецизионное, малошумящее и высокостабильное в семействе. Гироскоп рассчитан на достижение углового случайного ухода/шума ARW в 0,004°/^ч), стабильность смещения (in-run bias stability) в 0,02°/ч и повторяемость смещения в 0,1°/ч. Эти характеристики достигнуты и на уровне сенсорной технологии, и на уровне ASIC.
Сенсорный элемент состоит из двух идентичных масс, подвешенных посредством асимметричных пружин к пьедесталам. Цикл обратной связи используется для контроля как режима возбуждения, так и режима детектирования. В этих режимах используются дополнительные пары электродов, предназначенные для настройки частоты и активной компенсации смещения гироскопа. С использованием уникальной уплотненной полости
4 Подвесная платформа (gimballed platform) допускает получение углов из структурного фрейма, поддерживающего механический гироскоп.
вибрационные массы оказываются заключены в герметичное окружение с низким давлением, что необходимо для низкого демпфирования и высокого Q-фактора. В дальнейшем улучшенная стабильность гироскопа достигается посредством выбора кристаллических материалов во всей структуре сенсорного элемента и дизайном, полностью симметричным вокруг вертикальной оси.
Схема обработки сигнала в аналоговой ASIC включает прецизионные малошумя-щие charge-усилители и дельта-сигма АЦП 5-го порядка, опорные напряжения и ФНЧ для сигналов обратной связи. Цифровая ASIC дает стабильное и высокоразрешающее осуществление фильтров loop filters и дельтасигма ЦАПов для возбуждения и детектирования. Схема также выполняет синхронную демодуляцию для малых шумов, компенсацию температурного дрейфа смещения и чувствительности. Выход гироскопа сконфигурирован как SPI slave с данными об угловой скорости и другими.
Микроболометрическая технология Sensonor
В ближайшее время Sensonor планирует поставки МЭМС-микроболометров с массивом в фокальной плоскости (Focal Plane Arrays, FPA) — неохлаждаемых, а также с термоэлектрическим охладителем (ThermoElectric Cooler, TEC) [14].
Разрабатываемые микроболометры основываются на многослойных монокристал-лических структурах на квантовых ямах (quantum well) из материала Si/SiGe, выполненных как тонкие листы, встроенные в мембранную структуру, и используемых как температурно-чувствительные (термистор-ные) мембраны пикселей. Температурный коэффициент сопротивления TCR рассматриваемого материала превосходит многие другие. Чувствительность к температурному изменению очень высока, и материал дает малый 1/f шум. Кроме того, материал хорошо согласуется с различными технологиями корпусирова-ния и обладает способностью противостоять высоким температурам обработки.
На уровне оптимизации болометрической технологии Sensonor работает в кооперации с институтом Acreo, имеющим свою оригинальную разработку микроболометров IMAGIC (рис. 7) [15]. Эта разработка
поддерживается также другими партнерами и проектами, в их число входят компания Autoliv (разработка систем смягчения травм пешеходов — Pedestrian Injury Mitigation Systems, PIMS), проекты FNIR (Fusing Far and Near Infra Red imaging for pedestrian injury mitigation) и ICU (Infrared Imaging Components for Use in Automotive Safety Applications) [16-18].
Ожидается достижение лучших характеристик (SNR) и надежности, причем по более низкой цене, доступной для массовых рынков (например, автомобильных или персональных систем ночного видения, или PIMS).
О технической и ценовой эволюции микроболометров
Исторически ИК средства получения изображений были в компетенции военных и правительственных заказчиков. Типичные военные применения включают системы управления ракетами и ночного видения для самолетов и других военных транспортных средств. Но сейчас технология применяется и в гражданской сфере, к примеру, для осуществления мониторинга производства ядерной энергии, портов и аэропортов, для использования в поисково-спасательных системах на море и в горах. Производители разрабатывают технологии на уровне камер и на уровне матриц.
Цена данной технологии в последние годы неуклонно снижается, вследствие чего происходит ее массированное перемещение на недорогие рынки.
По данным Yole 2010 года, объемы производства тепловых камер к 2015 году будут утроены — от объемов продаж порядка 200 000 камер в 2010 году до более чем 700 000 единиц в 2015 году [19]. Эти цифры соответствуют 23%-ному ежегодному CAGR. Рост выручки при этом ожидается в пределах +9% — вследствие снижения цены на камеры.
Компания FLIR (США) была и остается пионером в отношении неохлаждаемых ИК-ка-мер с вертикально интегрированной бизнес-моделью (с внутренним производством детектора) и присутствием на всех рынках [20]. Специалисты Yole считают, что доминирование FLIR будет осложнено и на уровне камеры, и на уровне матрицы:
• На уровне камеры: вследствие того, что производители камер, специализированные в каждом рынке, имеют сильные сети дистрибуции и возможности рыночного участия в термографическом бизнесе (Fluke). В рыночном сегменте безопасности/наблюдения ожидается приход лидеров в ИК-бизнес из области камер видимого спектра (компании Axis, Bosch, Pelco).
• На уровне детектора: новые поставщики детекторов будут входить на рынок со стороны МЭМС и полупроводниковой индустрии благодаря их возможностям снижения цены и повышения способностей объемного производства (компании Sensonor, Bosch, Faun Infrared).
ИК средства получения изображений покрывают участок электромагнитного спектра приблизительно в диапазоне длин волн от 1 мкм до 1 мм. Нагретые объекты, излучающие электромагнитные волны такой длины, могут быть обнаружены и трансформированы в изображения без необходимости дополнительного освещения. Представляет практический интерес тот факт, что объекты с температурой порядка комнатной, к примеру, тела человека или животных, характеризуются максимальной интенсивностью излучения на длине волны порядка 10 мкм5.
В ИК-спектре обычно выделяют далекоинфракрасный FIR-диапазон (Far InfraRed), приближенно соответствующий длинам волн в диапазоне 8-14 мкм, и близкий к инфракрасному NIR-диапазон (Near InfraRed; 0,7-1,5 мкм), Они нашли широкое практическое использование. Можно встретить другие классификации, которые включают следующие диапазоны:
• Short-Wave Infrared (SWIR), приближенно 1-3 мкм;
• Mid-Wave Infrared (MWIR),
3-8 (3-56) мкм;
• Long-Wave Infrared (LWIR), приближенно 8-15 (8-12 или 7-14) мкм;
• Very Long-Wave Infrared (VLWIR), приближенно 12-30 мкм;
• Far-Wave Infrared (FWIR),
25-1000 мкм (1 мм).
В этой классификации LWIR приближенно соответствует практически полезному FIR-диапазону 8-14 мкм — называемому так, хотя видно, что это средний ИК-диапазон. NIR-диапазон с длинами волн 0,7—1,5 мкм относится к SWIR.
Так называемые камеры день/ночь (day-and-night camera) — это NIR-камеры, которые используют ИК-фильтр в дневное время, чтобы не разрушать цветовое восприятие изображений человеческим глазом, а в ночное время ИК-фильтр не функционирует. Важно заметить, что человеческий глаз не способен видеть ИК-свет, в том числе и в диапазоне NIR, поэтому камера отображает черно-белое изображение. Нужен также хотя бы один источник освещения — естественный (лунный свет) или искусственный (уличное освещение, специальные ИК-лампы).
Тепловые камеры FIR-диапазона, в отличие от обычных и NIR ИК, лучше «видят» человеческое тело не только в условиях темноты, но и в условиях пыли, смога. Они потребляют меньше энергии за счет экономии мощности на источнике освещения, не выдают своего местоположения и не дают тени — в отличие от активных ИК NIR-камер. Кроме того, для тепловых камер совершенно не актуальны вопросы безопасности в связи с применением лазерных ИК источников освещения. Они гарантируют надежность и дают высокую точность интеллектуального обнаружения объектов, отлично подходят для использования в сетевых (IP) приложениях.
Но стандартные микроболометры лучше «видят» в условиях темноты, плохой погоды, а в условиях солнечного освещения — хуже, так как нет достаточной контрастности. Есть и другие ограничения. Например, капли воды, влажность и пыль также осложняют передачу тепловой радиации.
Стоит заметить, что оптимальные решения всегда рождаются на стыке технологий, посредством их объединения или создания таких решений, которые использовали бы все возможные преимущественные признаки. Поэтому многие производители тепловых камер рассматривают уже сейчас их как дополнение к видеокамерам — например, в системах видеонаблюдения, для достижения функциональности 24-часового мониторинга в режиме реального времени.
На тепловые камеры спрос был всегда, но высокая цена технологий ограничивала их широкое распространение.
Ранее высокие рабочие характеристики достигались посредством применения дорогих материалов и сложных процессов производства, в частности, путем охлаждения датчиков до криогенных температур. Охлаждение было необходимо для снижения шумов, наведенных теплом, так как сенсор на высоких температурах мог быть даже «ослеплен» его собственным тепловым излучением.
Затем стало возможным достижение необходимых рабочих характеристик при использовании неохлаждаемых массивов детекторов, основанных на болометрическом принципе. Микроболометр — это устройство, которое нагревается при воздействующей радиации от сцены и срабатывает при изменении, к примеру, его сопротивления.
ИК чувствительность микроболометра определяется как способность различать разницу температур и выражается значением NETD (Noise Equivalent Temperature Différence). Последнее поколение микроболометров характеризуется NETD порядка 50, достигая 20 мК.
Для повышения чувствительности пикселя важно, чтобы тепловая электропроводность от сенсорной мембраны к окружению была максимально низкой, для чего мембрана подвешивается выше ИС с помощью узких опор (ног) и закорпусирована в вакуумном окружении.
Наиболее распространенными являются ванадий-оксидные (VOx) и кремниевые (из аморфного кремния, a-Si) микроболометры.
Матрицы на основе аморфного кремния по сравнению с ванадий-оксидными имеют следующие преимущества: лучшая пространственная однородность, предсказуемое поведение пикселей в зависимости от температуры, малое энергопотребление, более высокое быстродействие (переводимое в лучшие показатели частоты кадров, резкости, меньшего смаза, возможность быстрого получения изображения после включения и в изменяющихся условиях), непрерывная работа без повышения температуры, охлаждения, термостабилизации, калибровки TEC и затвора.
Новые сенсорные материалы состоят из чередующихся слоев кремния и кремний-германия (Si/SiGe). Эта многослойная структура схематически может быть представлена как тонкий лист, встроенный в мембранную структуру. Имеются различные преимущества, о которых уже говорилось: высокая чувствительность, низкий шум, технологичность.
Следующие данные от Yole также представляют интерес [19]. Микроболометры являются доминирующей ИК технологией детектора, составляющей более 95% рынка в 2010 году. Более 75% производства размещено в США, поскольку оригинальная технология была разработкой военного департамента США. В следующие 5 лет положение изменится — ввиду новых ценовых стратегий вновь входящих игроков.
Продуктовые линии детекторов/микроболометров сегментированы от малого формата (160x120) пикселей до VGA (640x480). Для малого формата в период с 2010 по 2015 год ожидается наиболее значительное снижение цены (-58%).
Перечислим технические направления, которые обеспечат возможное ценовое снижение детектора:
• На уровне корпусирования: корпусирова-ние на уровне пластины и на уровне пикселя будет играть огромную часть в снижении цены (-20% как минимум).
• На уровне пикселя: меньший пиксельный размер (17 мкм становится стандартом) будет допускать меньшие детекторы.
• На уровне интеграции: 3D-интеграция, методы соединения пластин будут допускать производство микроболометров на стандартных MEMS- или CMOS-фабриках.
5 Объекты с более высокими температурами имеют пик излучения на более коротких длинах волн. Солнечное излучение от поверхности с температурой примерно 6000 К дает пик излучения примерно на 500 нм, что согласуется с максимальной чувствительностью человеческого глаза.
6 Часть спектра между 5 мкм (MWIR) и 8 мкм (LWIR) для методов получения изображений бесполезна из-за высокого спектрального поглощения в этом диапазоне.
Кроме того, техническая эволюция микроболометров проходит и на уровне ИК-оптики (полиэтиленовое окно, оптика на уровне пластины).
Снижение размера пикселей — доминирующее направление не только с точки зрения цены, но и с технической/технологической точки зрения. Система становится проще благодаря использованию датчиков, не требующих температурной стабилизации, и другим концепциям корпусирования.
Преимущества меньших пикселей — это возможность производить больше датчиков на пластине с тем же разрешением и снижение размера оптической системы. Высококачественная ИК-оптика часто включает германиевые линзы, а снижение размера линз также может иметь влияние на системную цену. Приведем пример эволюции пиксельного шага компании Ulis [21]) — от 45 мкм в 2000 году до 17 мкм сегодня (рис. 8) и 12 мкм в ближайшем будущем.
Корпусирование обычно осуществляется следующим образом. Массив болометра производится поверх ROIC (read-out IC), ROIC крепится на термоэлектрическом охладителе в металлическом корпусе. Прозрачное для ИК-волн окно дополняет корпус.
Прежде чем разрезать подложки, кристаллы помещают в герметичный корпус. Например, L3-Communications и Infineon выполняют одновременное корпусирова-ние датчиков посредством прикрепления подложки-крышки.
Компания Ulis разработала альтернативный метод, согласно которому каждый пик-
Рис. 8. Камера Ulis с высокими рабочими характеристиками, пиксельным шагом 17 мкм и разрешением 1024x768
сель упаковывается в его собственную полость, которая производится теми же средствами и методами, что и болометрическая мембрана, — без соединения пластин. Метод, таким образом, дает возможность осуществить потенциально сложные стадии выравнивания и прикрепления пластины крышки. Получается попиксельное корпусирование, значительные недостатки которого состоят в том, что пиксельная область занята структурами, не формирующими изображение, что снижает характеристики датчика.
Болометр — весьма температурночувствительный сенсор, поэтому для получения необходимых характеристик применяются методы температурной стабилизации. Но с улучшенной технологией производства и применением методов обработки сигнала стали возможными решения и без температурной стабилизации. Это дает снижение сложности сенсорного корпуса и, вследствие этого, снижение системной цены и потребления мощности.
Например, датчики Ulis устойчивы к солнечному воздействию и включают алгоритмы коррекции изображения на уровне матрицы. Таким образом, очень многие преимущества, к которым относятся высокая чувствительность, соответствие военным стандартам, другим целевым рынкам (размеры пикселей для них отличаются), малый вес, возможность работы без термоэлектрического охлаждения TEC-less и без затвора shutter-less, достигаются еще на уровне матрицы. Режимы TEC-less и shutter-less — это еще одна возможность экономить мощность [21].
В результате подобных технологических инноваций ИК средства получения изображений получают более широкое распространение на массовых рынках. ■
Окончание следует
Литература
11. http://www.i-micronews.com/reports/IMU-High-Performance-Inertial-MEMS-2011/160/
12. www.memsic.com
13. www.xbow.com
14. www.sensonor.com
15. www.acreo.com
16. www.autoliv.com
17. www.fnir.com
18. www.icu-eu.com
19. http://www.i-micronews.com/reports/Uncooled-IR-Cameras-Detectorsfor-Thermography-Vision/145/
20. www.flir.com
21. www.ulis-ir.com
