Компания st выпустила сверхпроизводительный акселерометр для микроэлектромеханических систем

MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 1

Наномир на данный момент является своего рода фронтиром – передним краем науки, который пока еще только покоряют ученые-пионеры. А вот микромир уже достаточно давно освоен и в нем вовсю идет строительство. Пожалуй, самым впечатляющим типом микроструктур, которые создаются людьми, являются MEMS – микроэлектромеханические системы.

Обычно MEMS делят на два типа: сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал, и актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия. В этой части статьи поговорим о первой категории MEMS.

Пожалуй, самыми «трендовыми» из MEMS-сенсоров являются датчики движения. Они в последнее время постоянно на слуху: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, «для прикола».

А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки.

В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Классический гироскоп образца XIX века. Засунуть такой в iPhone или джойстик Wii довольно-таки затруднительно

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее – активные игры на Wii, функция автоматического поворота картинки на iPhone, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания – дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения.

Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

И места занимает – всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.

Датчик движения Epson XV-8000. И это далеко не самый компактный MEMS-сенсор

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра.

Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика.

Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина.

Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в iPhone 4

Тот же STM L3G4200D, фотография с большим увеличением

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых “заточено” именно под вращение. Такие MEMS – одни из красивейших.

Еще один гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH

Крупный план STM LYPR540AH. Толщина деталей этой ажурной конструкции – около 3 микрон!

Еще один MEMS-гироскоп

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл.

Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток.

Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров – термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек – тем больше величина ускорения.

 Двухосный термальный акслерометр

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств – микроскопические микрофоны. Опять-таки, наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она.

микроэлектромеханический микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект – в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм) теряется рядом со своими более крупными родственниками

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления. Несложно догадаться, что применение такие сенсоры находят в уйме областей.

Но можно выделить одну область, которая является наиболее интересной и наиболее специфичной для датчиков давления, основанных на MEMS-технологии. Это медицина.

Здесь размер действительно имеет значение. Если в какой-нибудь трубопровод вполне можно встроить «обычный», макроскопический датчик, то с кровеносным сосудом такой фокус, очевидно, не получится.

Тут нужны очень и очень компактные решения.

Ультракомпактный и высокоточный датчики давления на фоне одноцентовой монеты (по размеру она примерно эквивалентна нынешним русским 50 копейкам)

Разумеется, в медицине востребованы не только датчики давления. Существует множество микроскопических биодатчиков, измеряющих массу разнообразных величин – от температуры до уровня глюкозы. Есть и более неожиданные устройства, вроде микроскопических систем подачи лекарств. И, разумеется, есть куча интереснейших прототипов, многие из которых в принципе не имеют аналогов среди макроустройств.

Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон. Человеческий волос этими щипцами подцепить не получится – он для них слишком толстый

Что ж, разговор о MEMS-сенсорах мы на этом завершим. Впереди у нас еще более интересная и захватывающая тема: MEMS-актуаторы. Печатающие головки струйных принтеров, микрозеркальные матрицы, элементы оптико-волоконных сетей и многое другое. Обещаем: скучно не будет!

Другие статьи серии:

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Источник: https://3dnews.ru/600098

Разработки ООО «АПКБ»: микромеханический акселерометр (ММА)

13:51 / 13 сентября 2017

Устройство применяется в основном для систем навигации. Кроме того, микромеханический акселерометр можно использовать в медицине, робототехнике и других отраслях. Его конкурентные преимущества – высокая точность выходных характеристик, малая потребляемая мощность, низкая себестоимость.

ММА – это датчик линейных ускорений, предназначенный для преобразования линейных ускорений, действующих по оси измерения, в сигнал постоянного тока, величина которого пропорциональна линейному ускорению, а знак соответствует направлению действия линейного ускорения.

ММА. Рисунок с сайта апкб.рф

Современное авиастроение связано с созданием летательных аппаратов новых типов. Одно из требований, предъявляемых к ним, – высокий уровень автоматизации процесса управления полётом. С этой целью в настоящее время применяются устройства, созданные по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).

АПКБ представило на «Армии» уникальное устройство

 МЭМС-технологии являются одним из наиболее стремительно развивающихся направлений мировой индустрии.

Российский рынок испытывает недостаток акселерометров высокой точности отечественного производства. Для решения этой задачи специалисты  АО «АПЗ» начали разработку ММА. Работы по созданию перспективного датчика продолжили специалисты Арзамасского приборостроительного бюро.

В данный момент под руководством начальника КБ Василия Румянцева проводятся опытные работы по улучшению характеристик акселерометра.

Создаваемый специалистами АПКБ датчик будет выполнен на базе акселерометра с электромеханическим узлом и элементом, изготовленным при помощи МЭМС-технологий, на высокоточном оборудовании имеющимся на АО «АПЗ».

АПКБ на взлётной полосе

Конструкция ММА обеспечивает диапазон измерений ускорений до 100g. Прибор способен работать в условиях больших вибрационных и ударных воздействий. Он содержит маятниковый узел, две пластины из электроизоляционного материала, ёмкостной датчик угла, и  магнитные системы, формирующие  стеснённые магнитные поля для компенсационных силовых датчиков.

Особенности ММА – малые массогабаритные размеры, возможность применения групповой технологии изготовления, невысокая стоимость изготовления при серийном производстве, высокая надежность в эксплуатации. По окончанию ОКР, будет получен акселерометр c высокоточностными характеристикам и высокой устойчивостью к внешним воздействиям.

Разрабатываемый акселерометр может быть применён при создании гиро-инерциальных блоков для систем навигации (ракетное вооружение, системы наведения, системы ориентации и навигации беспилотных ЛА). Кроме того, данные акселерометры можно использовать в медицине (в экзоскелетах), в робототехнике.

МЭМС – это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Источник: https://www.socium-a.ru/news/article/razrabotki-ooo-apkb-mikromehanicheskiy-akseleromet-16832

Особенности и сравнительные характеристики технологий изготовления твердотельных акселерометров

Аннотация: В статье рассматриваются различные технологии изготовления твердотельных акселерометров. Оцениваются преимущества и недостатки устройств, изготовленных с применением различной технологии. Предлагается сравнительная оценка основных рабочих характеристик и оптимальные области применения для акселерометров различной конструкции.

<\p>

Введение: Задача измерения линейных ускорений и, связанные с ней, задачи контроля положения объекта в пространстве, скорости, вибрационных и других характеристик актуальна во многих областях производства и эксплуатации.

Оборудование, требующие контроля и измерения этих характеристик, встречается практически во всех областях производства – от потребительской электроники, до авиации, космонавтики и военного дела.

<\p>

Вполне естественно, что для решения настолько распространенной задачи предлагается широкий ассортимент специализированных датчиков – акселерометров – обладающих разнообразными характеристиками, как с точки зрения измерительной способности и стойкости к внешним воздействиям, так и по диапазону условий эксплуатации и надежности.

<\p>

Не последнюю роль в вопросах качества, надежности и сферы применения акселерометров играет технология изготовления чувствительного элемента и особенности конструкции датчика.

На данный момент в мире существует три основных технологии изготовления чувствительных элементов датчиков ускорения – две основаны на использование пьезоэлементов: пьезоэлектрическая и пьезорезистивная технологии и третья, более современная, основана на использовании микромеханических (МЭМС/MEMS) структур и функционирует по емкостному принципу.

<\p>

Каждая из технологий обладает своим уникальным набором преимуществ и недостатков, которые, в большой степени, определяют область применения датчиков этого типа.<\p>

Пьезоэлектрическая технология: Конструкция пьезоэлектрического акселерометра основана на использования пьезокристалла.

Кристалл устанавливается на массивное основание, а сверху на него монтируется инертная масса, обеспечивающая деформацию кристалла при приложении к датчику ускорения (см. рис.1)
<\p>

<\p>

Как известно, деформация пьезокристалла приводит к образованию разности электрических потенциалов на гранях кристалла перпендикулярных оси деформации.

Именно на этом эффекте и построена измерительная ячейка датчика – электрический сигнал, снимаемый с кристалла, создается приложенным к деформирующей массе ускорением и пропорционален этому ускорению. При этом, чувствительность датчика определяется пьезоэлектрическим коэффициентом кристалла, т.е. напрямую зависит от свойств используемого материала.

<\p>

Использование кристалла в качестве чувствительного элемента и фактическое отсутствие подвижных деталей, делает датчики этого типа крайне устойчивыми к внешним воздействиям, в том числе ударам высокой амплитуды (до 6000g), воздействию высоких температур (до 350 °С).

Специфика чувствительного элемента позволяет проводить измерения в широком диапазоне частот, что существенно для высокодинамичных задач. Еще одним существенным преимуществом этого типа пьезоэлектрических акселерометров являются компактные размеры, вытекающие из простоты конструкции и миниатюрности ее компонентов.

<\p>

К сожалению пьезоэлектрические датчики, при всем своем удобстве, обладают существенными недостатками, проистекающими как из конструкционных особенностей измерительной ячейки, так и из ее материала.

Первым существенным недостатком, осложняющим жизнь разработчику оборудования, куда интегрируется пьезоэлектрический акселерометр, является необходимость использования электрических соединений с высоким импедансом для подключения датчика к прочим устройствам системы.

Требование высокого импеданса вытекает из физической природы пьезоэффекта – индуцированная деформацией разность электрических потенциалов крайне мала по своей величине. Вторым существенным недостатком является низкая стабильность смещения датчика, т.е. величины, определяющей выходной сигнал датчика в состоянии покоя.

Низкая стабильность смещения подразумевает существенное и плохо предсказуемое изменение этого параметра под воздействием условий окружающей среды и рабочими воздействиями. Это, само по себе, не слишком удобное при эксплуатации явление отягчается низкой термостабильностью измерительной ячейки, что так же является особенностью пьезокристалла.

Низкая термостабильность ячейки приводит к существенному изменению выходного сигнала датчика при изменении температуры окружающей среды и, соответственно, необходимости вводить поправку на изменение температуры, чаще всего определяемую коэффициентами полиномов четвертого – пятого порядков.

<\p>

Дополнительным неудобством, связанным с использованием пьезокристаллов является их сравнительно высокая гигроскопичность. Таким образом, как хранение, так и эксплуатация пьезоэлектрического акселерометра требует контроля влажности или обеспечения герметичности измерительной ячейки.

<\p>

Последними двумя факторами, осложняющими эксплуатацию, пьезоэлектрических акселерометров в ряде задач является отсутствие возможности измерения в статическом режиме (разность потенциалов образуется только непосредственно в процессе деформации кристалла, а в крайних положениях сигнал отсутствует) и косвенно вытекающая из этого невозможность реализации функции самотестирования датчика.

<\p>

Таким образом, можно сделать вывод, что по совокупности преимуществ и недостатков, пьезоэлектрический акселерометр может успешно использоваться для решения задач измерения усилий и перемещения, особенно в тех случаях, когда приложение требует работы при температурах свыше 120 °С. При этом нужно помнить о ряде сложностей, связанных с его эксплуатацией.

<\p>

Пьезорезистивная технология: Конструкция пьезорезистивного акселерометра основана на использовании тонких пленок пьезо материала, нанесенных на диэлектрическое покрытие консоли измерительной ячейки (см. рис. 2), соединяющей массивное кремниевое основание датчика и инертную массу из того же материала, свободно подвешенную на конце этой консоли.

Приложение ускорения приводит к колебаниям инертной массы и, соответственно, изгибу консоли.
<\p>

<\p>

Изгибаясь, консоль деформирует пьезорезистивные полоски, что приводит к изменению их сопротивления, пропорциональному изгибу, а, следовательно, и ускорению.

Таким образом, чувствительный элемент представляет собой мостовую схему в плечах которой находятся изменяемые сопротивления (см. рис.3).
<\p>

<\p>

Специфика использования пьезорезистивных акселерометров, их преимущества и недостатки, во многом сходны с таковыми для пьезоэлектрических датчиков и основываются на свойствах пьезо материалов, использованных в конструкции.

<\p>

Аналогично с предыдущим разделом, существенными преимуществами технологии являются широкий частотный диапазон измерений, устойчивость к высоким ускорениям (до 20000g), вибрационным и ударным нагрузкам, способность функционировать при температурах до 350 °С.<\p>

Надежная жесткая конструкция и отработанная технология изготовления так же являются преимуществами.

<\p>

Дополнительным и весьма важным фактором, определяющим качество измерений пьезорезистивных датчиков, является низкий уровень гистерезиса, что существенно улучшает точностные характеристики датчика и его повторяемость.<\p>

Схожесть используемых в конструкции, как пьезорезистивных, так и пьезоэлектрических датчиков материалов, определяет и аналогичный набор недостатков данной технологии.

Точно так же, как в предыдущем разделе, существенными факторами являются низкая стабильность смещения и плохая термостабильность, чувствительность к влажности, отсутствие возможности статических измерений и реализации самотестирования. Из действовавших ранее факторов, пожалуй, исключается только необходимость использования соединений с высоким импедансом.

В данном случае, сложности с согласованием ячейки и остальной схемы отпадают за счет работы ячейки под постоянным потенциалом, который и определяет уровень требуемого импеданса.

Однако, это сравнительно небольшое улучшение, полностью компенсируется усложнением конструкции как самой ячейки, так и датчика в целом и необходимость подвода питания к подвижным элементам конструкции (консоли инертной массы).

<\p>

Дополнительно ухудшает ситуацию с эксплуатацией пьезорезистивных датчиков крайне плохая нелинейность, что вновь ведет к необходимости использования полиномов высоких порядков для компенсации внешних условий, и низкий коэффициент усиления, определяющий разрешающую способность датчика.

<\p>

Резюмируя, следует отметить, что при всех своих недостатках пьезорезистивные акселерометры могут с успехом использоваться для измерений усилий, перемещений и давления, особенно в условиях задач, требующих работы при высоких температурах, больших ускорениях и потенциальной возможности ударных воздействий. В том числе, этот тип датчиков может быть использован и при решении промышленных задач.

<\p>

Емкостная технология: Конструкция емкостного МЭМС акселерометра основана на измерительной ячейке, представляющей собой корпус из кремния, внутри которого размещена консоль с подвешенной инертной массой. На внутренние поверхности корпуса и поверхности массы нанесены электроды, что превращает конструкцию в систему из двух конденсаторов (см.рис.

4)<\p>

<\p>

Под действием ускорения инертная масса колеблется на консоли, что приводит к изменению расстояния между обкладками обоих конденсаторов и, как следствие, изменению их емкости. При этом, суммарная емкость составного конденсатора остается неизменной.

Вариация емкости конденсаторов отражается изменением потенциалов на их обкладках, что, собственно, и может быть измерено, как сигнал пропорциональный приложенному ускорению.

  
<\p>

Легко видеть, что в данном случае, чувствительность и разрешение подобной МЭМС структуры зависят от конструкции измерительной ячейки, величины воздушного зазора между обкладками конденсаторов и диапазоном его изменения. При этом зависимость параметров от свойств материала, негативно проявившая себя в акселерометрах на основе пьезоэффекта – практически или полностью отсутствует.

<\p>

Как правило, измерительная ячейка герметична. Ее сборка производится в инертной среде или вакууме, что так же обеспечивает ряд преимуществ данной технологии по сравнению с рассмотренными ранее.<\p>

В первую очередь емкостные МЭМС датчики отличает высокая термостабильность и отличная временная стабильность рабочих характеристик.

Это обеспечивает простоту и удобство задания необходимой компенсации, причем для работы практически всегда можно найти линейный или слабо-параболический участок рабочей характеристики, что избавляет от необходимости использовать для введения компенсации полиномиальные выражения.

В целом, эти факторы обеспечивают емкостным МЭМС акселерометрам высокую степень повторяемости результатов измерений и надежность в сравнительно широком интервале ускорений и условий окружающей среды.

<\p>

Дополнительный, но весьма существенным, при решении ряда задач, преимуществом является возможность проведения измерений в статическом режиме и, косвенно связанная с этим, возможность проведения самотестирования датчика. Действительно – работоспособность и адекватность измеряемой величины такого датчика легко проверить, просто подав переменный сигнал на обкладки измерительной ячейки.

Отклик на такое воздействие даст однозначное понимание о работоспособности датчика. Существует ряд применений, например, такие, в которых используются целые массивы акселерометров или датчиков вибрации на их основе, для которых функция самотестирования является одним из немаловажных факторов эксплуатации.

<\p>

Безусловно, как и в любой другой технологии, у емкостных МЭМС акселерометров имеется ряд недостатков, основным из которых является относительная сложность конструкции, требующая более трудо- и наукоемкого производства, приводящая к бОльшим срокам изготовления и несколько более высокой стоимости датчиков.

Впрочем, при условии массового производства на автоматизированных промышленных линиях этот фактор практически не оказывает влияния. Другой существенной особенностью емкостных датчиков, которую следует учитывать при их эксплуатации, является чувствительность датчиков к электромагнитному воздействию, в той степени, в которой к нему чувствительны все емкостные элементы.

<\p>

Легко видеть, что заметные преимущества технологии емкостных акселерометров, делают эти датчики оптимальным решением для широкого спектра задач, связанных с измерениями ускорений, перемещения, давления, наклонов и вибрации.

Эти датчики с большим успехом могут быть использованы и используются при проектировании промышленных решений и в задачах, сопряженных со значительными ударными и вибрационными нагрузками.

<\p>

Следует заметить, что в настоящее время, существует два типа датчиков, основанных на емкостных МЭМС структурах, различающихся по технологическим особенностям изготовления самой МЭМС структуры, и подразделяющихся, соответственно, на изготовленные по планарной (поверхностной) и объемной технологии.

Сохраняя все преимущества емкостных датчиков, о которых говорилось выше, эти два типа акселерометров, все же, имеют некоторые различия.<\p>

Так, датчики, изготовленные по планарной технологии (см. рис. 5) имеют гребенчатую структуру инертной массы, способную, при грамотной конструкции консолей, колебаться сразу в нескольких плоскостях.

<\p>

<\p>

Это делает возможным реализацию многоосного акселерометра в габаритах одиночной измерительной ячейки. Планарные ячейки имеют ширину «воздушного» зазора между электродами конденсаторов переменной емкости в диапазоне 4-6 мкм (с погрешностью 17%), при весе инертной массы 0,03 – 0,3 мг. Это обеспечивает емкость переменных конденсаторов на уровне от 2 до 5 пФ (численные данные предоставлены корпорацией Safran Colibrys).
<\p>

Сравнительная простота технологии изготовления планарных структур (поверхностное травление), обеспечивает надежность изготовления и малые габариты измерительных ячеек. Это же делает планарные измерительные ячейки более дешевыми, по сравнению с ячейками, изготавливаемыми по объемной технологии. Тем не менее, небольшая инертная масса и большая величина зазора между электродами вызывают ряд недостатков, основным из которых является высокий уровень шумов и низкая (в сравнении с датчиками объемной технологии) стабильность рабочих характеристик.<\p>

Датчики, изготовленные по объемной технологии (см. рис. 6) имеют инертную массу, свободно подвешенную на консоли над поверхностью основания.
<\p>

<\p>

Легко видеть, что такая технология изготовления (объемное прецизионное травление и технология сплавления кремния) гораздо сложнее и требует большего времени и более сложного оборудования. При этом габариты измерительной ячейки больше чем у изготовленной по планарной технологии, а также отсутствует возможность реализации многоосной системы в рамках одной ячейки. Однако, при ширине «воздушного» зазора порядка 2 мкм (с погрешностью 1,5%) и весе инертной массы от 5 до 15 мг, такие переменные конденсаторы имеют емкость в диапазоне от 15 до 50 пФ (численные данные предоставлены корпорацией Safran Colibrys), что обеспечивает акселерометрам, изготовленным по объемной технологии, уникально низкий уровень шумов и высокую стабильность рабочих характеристик.<\p>

Сравнение: Из приведенных данных легко видеть, что каждая из трех описанных выше технологий имеет свой собственный уникальный набор явных преимуществ, равно как и набор очевидных недостатков. Сведя всю совокупность данных на общую сравнительную диаграмму, приведенную на рисунке 7 (данные предоставлены корпорацией Shafran Colibrys), и проанализировав ее, можно сделать вывод о том, что области применения акселерометрических датчиков, изготовленных по различным технологиям, фактически не перекрываются.<\p>

<\p>

Пьезоэлектрические и пьезорезистивные акселерометры демонстрируют способность работать в жестких условиях эксплуатации – при высоких температурах, ударных и вибрационных воздействиях и производить измерения ускорений в широком диапазоне как по амплитуде, так и по полосе частот.<\p>

При этом, емкостные МЭМС датчики, уступая как в амплитудных значениях измеряемых ускорений, так и по условиям окружающей среды, демонстрируют уникальную точность, надежность и стабильность измерений, при высокой чувствительности к измеряемому параметру.<\p>

Выводы: Резюмируя, можно сделать вывод, о том, что конкретная модель акселерометрического датчика, как и технология его изготовления, должна определяться исходя из решаемой задачи, поскольку области применимости датчиков различных типов практически не перекрываются.<\p>

Видно, что емкостные МЭМС акселерометры могут быть использованы в широком ассортименте задач, от решений для потребительской электроники и промышленных задач, до специфических устройств из области транспорта, добычи полезных ископаемых, авиации и оборонных проектов. Такие акселерометры, изготовленные по объемной технологии, успешно применяются в качестве датчиков наклона в оборудовании шельфового бурения, в системах стабилизации и контроля набора крыла современных пассажирских лайнеров, в качества датчиков вибрации для контроля состояния дорожного полотна и тележек вагонов в современных высокоскоростных поездах.
<\p>

<\p>

Одновременно с этим (см рис. 8), использование пьезо акселерометров оправдано в том случае, когда для достижения сверхвысоких рабочих температур, высоких уровней измеряемого ускорения или эксплуатации в сверхвысокодинамичных системах, возможно пренебречь вопросами стабильности и точности проводимых измерений.

Источник: https://avi-solutions.com/library/statyi/osobennosti/

Сравнение характеристик микромеханических гироскопов

Недавно узнал о том, что фирма STMicroelectronics анонсировала трехосевой гироскоп A3G4250D, удовлетворяющий жесткому стандарту для автомобильного применения (AEC-Q100). Обещана стоимость $6 при заказах от 1000 шт. Класс цены понятен. Захотелось сравнить паспортные характеристики этого датчика с маститыми моделями от Analog Devices Inc.

и других производителей. Пока разбирался с даташитами выяснил, что набор паспортных характеристик ADI и STM, к примеру, неодинаковый. Попутно решил выяснить по каким все-таки попугаям стоит сравнивать датчики, т.е. что является наиболее серьезной проблемой микромеханики. В итоге набрался материал для поста, а может и двух. В данном будет вводная.

Сравнение a la “[30 коп. пучок] Vs. [Чугунный мост]” к сожалению не уместилось.

О принципах работы разных классов микромеханических гироскопов и акселерометров можно написать не одну статью. Существует несколько обособленных видов/классов приборов. Если не вдаваться в подробности, грубо можно сказать следующим образом.

Чувствительным элементом (ЧЭ) микромеханического гироскопа является инерционная масса, закрепленная внутри корпуса на пружинах (упругих консолях полупроводника и пр.). Эта чувствительная масса приводится в колебательное движение по одной из осей датчика. Эта ось является осью возбуждения (входной осью). По этой оси задается рабочий режим.

Измерения же производятся по перпендикулярной к ней оси (выходной). Принцип действия заключается в том, что при вращении корпуса вокруг его измерительной оси ( ее еще называют осью чувствительности) чувствительный элемент помимо колебаний вдоль входной оси начинает колебаться еще и вдоль третьей, выходной.

Если кто знает, что такое Фигуры Лиссажу, тот легко поймет, что ЧЭ начинает описывать в пространстве окружность (или эллипс).

Так упрощенно работает одноосевой датчик. У двух и трехосевых датчиков комплекс из ЧЭ и измерительной системы как бы обрамляется еще одной системой подвеса/измерителей. Т.е. одна сборка ЧЭ/Подвес/Измерители (пусть это будет сборка для оси Х) сама является колеблющимся ЧЭ для другой сборки (напр., по ОY), которая входит в сборку для измерения по OZ.

Возможна, наверняка, и раздельная система. Специалист по микромеханике в тексте выше сможет найти достаточно некорректностей. Написано грубо и для простоты восприятия. И написано это, чтобы плавно перейти к описанию одной из серьезнейших проблем микромеханики, а именно чувствительность к линейным ускорениям.

В теории колеблющийся ЧЭ не должен чувствовать ускорений и не должно у него быть перекрестных связей (в случае двух- или трехосевых датиков) с другими осями чувствительности (ОЧ).

Но вследствие неидеальностей создания трехмерной структуры внутри интегральной микросхемы центры масс ЧЭ смещаются, появляются остаточные напряжения в материале, пружины имеют неодинаковые упругости и т.д. В результате ЧЭ для ОХ начинает реагировать на воздействия по OY, линейные ускорения начинают искажать показания гироскопа. Т.е.

в измерениях появляется приращение угловой скорости которого на самом деле нет (случайный дрейф). Сделать производство ЧЭ идеальным невозможно (или не целесообразно), поэтому в конструкции датчиков появляются дополнительные элементы, нужные для уменьшения чувствительности к упомянутым паразитным воздействиям.

В первую очередь простотой и даже самим наличием элементов режекции паразитных воздействий как раз и отличаются дешевые (до $10-15) датчики от датчиков среднего ($30-100) и верхнего ($100+) ценовых диапазонов.

В одной из хабрастатей я обсуждал вопрос пренебрежимости реакции недорогих гироскопов на паразитные воздействия (тут например).

Понятно, что для статичного квадракоптера незачем изгаляться. Но ведь это лишь демо-устройство будет использоваться в статике. UAV должен перемещаться, причем иметь достойные динамические характеристики. Иначе зачем он сможет быть использованным? Для поглядеть, а что там за забором?

Про реакцию на вибрации, которые имеют высокую интенсивность в квадракоптерах к примеру, особо рассказывать не нужно. Все знают что это такое. Поэтому считаю, что вопрос чувствительности гироскопов к ускорению и вибрациям очень важен для создания подвижного объекта с нормальной динамикой.

Погрешности микромеханических гироскопов

Первое, что бросается в глаза разработчикам в даташитах к датчикам, это так называемая «стабильность нуля». Ведь кажется, что именно этот параметр в конечном итоге определяет чувствительность датчика, т.е. минимальное входное воздействие, которое датчик почувствует.

Так из-за низкой стабильности нуля многих моделей ММГ, до сих пор многие считают, что микромеханические гироскопы (ММГ) не чувствуют вращение Земли. Есть модели ММГ имеющие стабильность нуля немногим более 2 °/час (Земля, как известно вращается со скоростью 15 °/час). Но на практике это не означает, что измерить вращение Земли все-таки удастся.

Как бы то ни было, разработчик смотрит на стабильность нуля. Это понятный параметр, показывающий в каких пределах будет колебаться нуль шкалы датчика в лабораторных условиях. Однако это параметр стабильности «сферического коня в вакууме». В реальности заявленной стабильности не будет.

Почему? Да потому, что там указана стабильность (вернее нестабильность) обусловленная внутренними источниками погрешностей. В каких условиях датчик будет работать производитель не сможет предугадать, как и вызванные этими условиями девиации. Есть два подхода борьбы с погрешностями: аппаратный и алгоритмический (читай программный).

Второй подход подразумевает добавление в прошивку БЦЭВМ специальных программных модулей для коррекции ошибок, вызванных паразитными процессами. И этот подход не рекомендуется как оптимальный. В первую очередь сам датчик должен гасить шумы.

Центральный мозг должен заниматься не вычищением основного мусора, а финишной обработкой и обсчетом высокоуровневых алгоритмов (навигация, стабилизация, автоматизация). Есть разного рода методические погрешности. Они легко описываются некими формулами, вот их легко компенсировать программно.

К чему все это? А к тому, что правильнее выбрать датчики, оптимальные с точки зрения соотношения цены к точностным характеристикам. И тут главными параметрами выбора будет скорее всего чувствительности гироскопа к линейному ускорению (g-чувствительность) и вибрациям (g²-чувствительность). Почему они главные объясняется ниже.

Температурный гистерезис нуля

ММГ имеют погрешности нуля, которые варьируются в зависимости от температуры внутри корпуса. Для проведения термокомпенсации в ММГ встроены температурные датчики. Их точность особого значения не имеет, важна лишь повторяемость показаний. Но с термокомпенсацией есть проблема — гистерезис.

Гистерезис в данном случае — это разница между требуемым значением коррекции для конкретной температуры в двух случаях — когда прибор достигает этой температуры охлаждаясь и в случае, когда он нагревается до той же температуры. См. график ниже.

На этом графике показан температурный гистерезис нуля для ММГ ADXRS453 при изменении температуры от +25°С к +130°С, потом к -45°С и обратно к +25°С. Этот гистерезис имеет место не зависимо от того включен датчик во время колебания температуры или нет. К тому же гистерезис зависит от того, насколько широк диапазон изменения температур.

Ситуация сложная? Нет, не очень. В общем случае ММГ не должны использоваться для определения углов ориентации при отсутствии некоторой внешней референсной системы, которая позволяет сбросить накопившуюся погрешность до некоторого низкого уровня. По той же системе можно определить и текущее смещение нуля.

Таким образом, температурные смещение нуля и погрешность масштабного коэффициента при нормальном применении достаточно эффективно могут компенсироваться (пусть и с точностью до некоторой малой, ненулевой величины).

Погрешности из-за вибраций

Как было написано выше, сферический ММГ в вакууме измеряет лишь вращение и ничего другого. Однако из-за несимметричности ЧЭ и неидеальности изготовления все ММГ чувствуют ускорения. Под чувствительностью к ускорениям чаще всего понимают чувствительность к линейному ускорению (g-чувствительность) и к линейным вибрациям (g²-чувствительность).

На объекты, движущиеся в поле тяготения Земли, в любом случае действует ускорение (кроме случаев свободного падения). Чувствительность к линейным ускорениям часто оказывается главным источником погрешностей. ММГ в самом низком ценовом диапазоне оптимизированы прежде всего по стоимости, но не по сопротивлению вибрациям.

Они имеют относительно простую механическую систему. Она хоть и отличается живучестью (выдерживает гигантские перегрузки в 10'000 g), но не защищена от вибраций. Малая масса чувствительного элемента -> широкая полоса пропускания.

В таких гироскопах чувствительность к ускорению (acceleration effect в даташитах) может быть равна 1000 °/час/g (или 0.3 °/сек/g). И это значение вполне себе нормальное для такого класса датчиков. Но это на порядок выше, чем следует ожидать от точных датчиков.

От дешевых датчиков не стоит ожидать стабильности нуля в контексте чувствительности к ускорениям. Даже малые вращения в поле тяготения Земли приводят к огромным погрешностям из-за их чрезвычайной чувствительности к ускорению и вибрациям. К слову сказать, «aceleration effect» я не нашел в даташите к A3G4250D от STMicroelectronics.

Этот параметр не специфицируется для данного класса датчиков. Он просто подразумевается большим. Ниже представлена сравнительная таблица для некоторых моделей ММГ более высокого класса.В этой таблице представлены датчики, относящиеся к классу точных. И даже для них оба параметра не всегда указываются производителем.

Часто для компенсации чувствительности к ускорению пользуются коррекцией по показаниям акселерометра. Ниже пример из комментариев к хабрапосту “Использование инерциальной навигационной системы (ИНС) с несколькими датчиками на примере задачи стабилизации высоты квадрокоптера” на тему квадрокоптеров:

Но оказывается дрейф из-за чувствительности к ускорениям зависит от частоты с которой это ускорение меняется. Ниже представлены графики зависимости выходного сигнала ММГ CRG20-01 (в штучных поставках в виде demo-board обойдется, если не ошибаюсь, в районе $100-150 с доставкой) от частоты изменения приложенного ускорения.На графике видно, что от амплитуды ускорения погрешность не зависит. А вот от частоты зависимость имеется. И просто так эту погрешность не скомпенсируешь (большая вариация и сложная кривая изменения чувствительности). Скомпенсировать g²-чувствительность, если она постоянна, несложно. Но опять же не все производители в даташитах указывают графики для этого параметра. Разработчику часто приходится самому экспериментально строить эти графики. И часто это производится в полевых условиях на уже запущенных в эксплуатацию приборах.

Еще одна засада с коррекцией по акселерометрам — согласование фаз. В общем случае собственные частоты акселерометра и гироскопа не совпадают, да и частотные характеристики вообще.

Поэтому при различных частотах вибраций ММА и ММГ будут выдавать разные смещения по фазе выходного сигнала относительно вибраций на входе. В конечном итоге коррекция по акселерометру может увеличить! погрешность вместо ее гашения.

Случится это, если разница между смещениями по фазе ММА и ММГ будет приближаться к значению 3,14 радиан (180 градусов).

В итоге, т.к. чувствительность к вибрациям и ускорениям сильно варьируется даже в рамках одной модели датчика или она слишком велика, производитель ее просто не указывает. Правда нужно заметить, на самом деле достаточно трудно протестировать датчики на чувствительность к вибрациям. Проблемы носят как технический, так и методологический характер.

Для снижения чувствительности к вибрациям можно, конечно крепить датчики через резиновый изолятор. Но сделать так, чтобы этот подвес имел равномерное распределение характеристик для широкого диапазона частот, да еще и не менял их при старении очень сложно.

Ниже представлено сравнение погрешностей из-за чувствительности к ускорению и вибрациям, когда не используется g-компенсация (в гр/сек).А в следующей таблице представлены погрешности, которые остаются даже после введения g-компенсации (в гр/сек).

Как видим даже при введении g-компенсации погрешность от чувствительности к ускорениям все равно может быть больше погрешности от температурной нестабильности нуля (см. график гистерезиса выше).

Выводы

Написанное выше говорит о том, что не всегда самый очевидный параметр точности является и главным критерием выбора датчиков. «Под свечей всегда темно», — говорит народная мудрость. То, что недостаточно четко описано в даташите или вообще не указано может сыграть решающую роль в успешности проекта.

Можно заострить внимание на стабильности нуля и дисперсии шумов, а ведь их можно победить несложными алгоритмами (усреднять во времени или с использованием избыточных измерительных блоков). Зато погрешность от вибраций, как мы увидели выше на примере CRG20-01, может оказаться трудным описать в алгоритме. Долгое время стабильность нуля является золотым стандартом выбора ММГ.

Однако на практике большее влияние на точность может оказать чувствительность к ускорениям и вибрациям.

Заключение

Хотел сделать пост, содержащий две части — 1) Обоснование выбора критерия сравнения и 2) Сравнение по ТТХ моделей от Analog Devices Inc., Silicon Sensing, Sensonor и STMicroelectronics. Однако и так получилось «многабукв».

Если будет интересно, постараюсь в скором времени сравнить по даташитам датчики упомянутых фирм с разъяснением о физическом смысле основных характеристик.

UPD: поправлены некоторые опечатки и грамматические ошибки.

Источник: https://habr.com/post/139110/

МЭМС-устройства

Микроэлектромеханические системы или сокращённо МЭМС представляют собой устройства микросистемой техники, выполненные по технологии объёмной микромеханики, сформированные путём локального вытравливания подложки, легирования, нанесения на неё материала и т. д.

Подложки, как правило, изготавливаются из кремния благодаря его превосходным электрическим, механическим и тепловым свойствам.

Размеры МЭМС лежат в диапазоне от 1 микрона до нескольких миллиметров, в зависимости от мощности, области применения, наличия встроенных схем обработки и количества элементов.

Основные преимущества:

• Миниатюрность;
• Высокая функциональность;
• Надёжность;
• Малое энергопотребление;
• Возможность интеграции электроники с механическими, оптическими и прочими узлами;
• Малый разброс параметров в пределах одной партии изделий;
• Высокая технологичность и повторяемость;
• Возможность достичь очень низкую стоимость (при больших или очень больших объёмах производства).

В виде МЭМС могут быть выполнены следующие устройства:

Акселерометры	Гироскопы
Датчики давления	Микрофоны
Ключи	Фазовращатели
Тактовые генераторы	Матрицы микрозеркал
Расходомеры (Термоанемометры)	Насосы
Турбины	Микроактюаторы
Двигатели внутреннего сгорания

Особенности технологии МЭМС и приборов, выполненных по данной технологии

 Технология производства МЭМС подразумевает осаждение и видоизменение слоёв материала целиком, используя специальную технику для осаждения и особые маскирующие слои для формирования рельефа механических элементов и всего изделия в одном технологическом цикле. В данном цикле обрабатывается единственная подложка, которая может содержать от десятков до сотен заготовок МЭМС.

Почему МЭМС?

Применение МЭМС технологии позволяет получать микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.

Идея изготовления сенсоров и обрабатывающих схем в одном устройстве даёт прекрасную возможность создавать готовые, достаточно высокой сложности изделия в едином, относительно небольшом корпусе, что является выгодным разработчикам конечных устройств, поскольку позволяет выполнять проект на основе готовых решений на уровне законченных функциональных модулей.

Так же преимуществом МЭМС является электронная часть, и электрические соединения с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, поскольку они позволяют улучшить такие характеристики, как рабочие частоты, соотношение сигнал/шум и т. п.

Высокая повторяемость чувствительных элементов, и их интегральное изготовление вместе с обрабатывающей схемой позволяет значительно повысить точность измерений. Благодаря интегральной технологии надежность МЭМС выше, чем надежность аналогичной системы, которая собрана из дискретных компонентов.

Также большей надежностью и долговечностью обладают оптические системы, поскольку они располагаются в герметичном корпусе и защищены от воздействий внешней среды. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника и МЭМС интегрированы в единой подложке, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, применения согласующих схем.

На данный момент ведутся разработки генераторов электрической энергии на основе микро ДВС.

Данная работа ведётся под руководством профессора Симоны Хохгреб (Simone Hochgreb) из Центра исследования горения (Combustion Research Centre) университета Кембриджа (Cambridge University) и доктора Кили Цзян (Kyle Jiang) из Центра микроинжиниринга и нанотехнологий (Micro-Engineering and Nano-Technology Research Centre) университета Бирмингема (University of Birmingham).

Они проектируют двигатели с объёмом камеры сгорания порядка одного кубического миллиметра.

Интересно, что ДВС, создаваемые британцами – это дизели. Только вот работают они не на солярке, а на неких метаноловых смесях (с добавкой водорода), способных самостоятельно вспыхивать при такте сжатия.

Так же разработан и изготовлен с помощью МЭМС технологии микро роторный двигатель (двигатель внутреннего сгорания Ванкеля). Диаметр ротора: 1мм; частота вращения ротора (макс): 40000 об./мин; мощность: 26 мВт; рабочий объем: 0,064 мм3. Мощность как у щелочной батарейки, однако, размер куда меньше.

А мощность микро роторного двигателя, изображённого справа – 4 Вт.

Применение:

• Военная техника;
• Космические аппараты;
• Автомобилестроение;
• Медицина;
• Наука;
• Промышленность;
• Мобильные устройства;
• Бытовая техника;

Источник: http://www.npk-photonica.ru/content/products/mems

Микроакселерометр цифровой одноосный

Версия для печати

Главная / Продукция / Микроакселерометр цифровой одноосный

МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТР ЦИФРОВОЙ ОДНООСНЫЙ НА ОСНОВЕ МЭМС ТЕХНОЛОГИИ

Тип: пьезоэлектрический

Назначение:

• измерение вибрации в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также в промышленном производстве;
• измерение ударных ускорений;
• измерение движения: измерение перемещения в инерциальных навигационных системах;
• сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации.

Микроакселерометр цифровой одноосный ММА на основе МЭМС технологии

• для измерение перемещения в инерциальных навигационных системах.

Акселерометр пьезоэлектрический МА-1Э

• измерение вибрации в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также в промышленном производстве;
• измерение ударных ускорений;
• сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации.

Технические характеристики

Наименование параметров, единица измерения	Значение параметров
Диапазоны измерений линейных  ускорений, g	±1, ±5, ±10, ±50, ±200
Полоса пропускания, Гц	1201)
Нестабильность нулевого сигнала, %	0,012)
Разрешающая способность, g	0,0013)
Спектральная плотность шума, g/√Гц	10-3  4)
Температура окружающей среды, °С	-40 – +85 – при хранении -40 – +60 – при эксплуатации
Энергопотребление, Вт,  не выше	29
Масса, кг, не более	0,5
Габаритные размеры, мм, не более	100×50×205)
Примечания: 1) Полоса пропускания: 120Гц для ±1g, 50Гц для остальных; 2) Нестабильность нулевого сигнала: 0.01% для ±1g, 0.1% для остальных; 3) Разрешающая способность: 0.001g для ±1g, 0.01g для (±5g, ±10g), 0.1g для остальных; 4) Спектральная плотность шума: 10-3g/√Гц для ±1g, 10-2g/√Гц для (±5g, ±10g), 10-1g/√Гц для остальных. 5) Возможно изменение габаритных размеров по требованиям заказчика

АКСЕЛЕРОМЕТР ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Наименование параметра, единица измерения

Значение параметра

Диапазоны измерений линейных ускорений, g	от ±5×10-4 до ±1
Диапазон рабочих частот, Гц	0,2÷400
Неравномерность АЧХ, дБ, не более	3,0
Коэффициент преобразования, В/g МА 1Э-1 №5 МА 1Э-2 №1	33 3,4
Эффективное значение собственных шумов в единицах ускорения, приведенных к входу, g	5×10-5
Выходной сигнал аналоговый, в пределах (по каждому из выходов относительно клеммы «Земля»), В	±3
Потребляемый ток от источника питания, мА, менее	5
Интервал рабочих температур,  °С	-40 ÷ +65
Напряжение питания однополярное, В	+6 ÷ +24
Габаритные размеры, мм, не более	30x20x12 (Возможно изменение габаритных размеров по требованиям заказчика)
Масса, г, не более	40

Области применения:

– транспортная и аэрокосмической промышленность, а также в промышленном производстве;

– в инерциальных навигационных системах;

– сейсмоисследования.

Конкурентные преимущества

– широкий диапазон измерении линейных ускорений (до±200g);

– возможность поставки микроакселерометров с приемкой «5».

 не выше,

Источник: http://ru.avangard.org/products.html?itemid=98