Классификация микромеханических датчиков ускорения

Существующие на сегодняшний момент микромеханические датчики, предназначенные для измерения линейного ускорения можно классифицировать по следующим свойствам [2]:

1) Метод съёма показаний – метод, на основе которого получается электрический сигнал, соответствующий изменению неэлектрической величины (перемещения, частоты колебаний чувствительного элемента).

Ёмкостной метод съёма показаний – наиболее распространёнными являются датчики с ёмкостными преобразователями – в них перемещение подвижного чувствительного элемента в виде пластины фиксируется за счёт измерения ёмкости между ним и неподвижной пластиной. Достоинством метода является простота конструкции, а недостатком – малая чувствительность и малое отношение сигнал/шум, ввиду того, что приходится измерять ёмкости на уровне фемтофарад.

Оптический метод съёма – чувствительный элемент имеет щель, прозрачную для оптического излучения, либо растр. На корпусе прибора устанавливаются излучатель и фотоприёмник, и, при перемещении чувствительного элемента, фиксируется момент пересечения щелью оптической оси. Достоинство – сигнал на выходе имеет только два уровня, что является защитой от помех и позволяет напрямую использовать его в цифровой схеме. Недостатком является возможность фиксирования только определенных дискретных положений чувствительного элемента.

Магнитоэлектрический (либо электромагнитный) метод съёма показаний – на чувствительном элементе расположен магнит, который при перемещении индуцирует в неподвижной катушке, расположенной на корпусе, электрический ток. Метод не получил распространения, ввиду очень малой точности и невозможности снятия показаний только с неподвижного чувствительного элемента.

Метод съёма на основе туннельного эффекта – на чувствительном элементе и на неподвижной части корпуса расположены два автоэмиссионных контакта, ток между которыми зависит от положения чувствительного элемента. Недостатком является низкая чувствительность подобных преобразователей.

2) Тип силового привода. Некоторые конструкции датчиков ускорения предполагают, что чувствительный элемент приводится в колебательное движение, и в процессе работы измеряются параметры этого движения.

Электростатический преобразователь – работает за счёт электростатического взаимодействия двух пластин, одна из которых закреплена на чувствительном элементе. Достоинством является простота реализации, а недостатком – малые силы взаимодействия.

Магнитоэлектрический преобразователь – работает за счёт взаимодействия магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, расположенным на корпусе датчика с полем, вызванным прохождением тока через катушку (либо токопроводящие полоски), расположенную на поверхности чувствительного элемента. Достоинство преобразователя состоит в гораздо большей, по сравнению с электростатическим преобразователем, силе взаимодействия. Недостатком является необходимость подведения тока к катушке, так как в этом случае токопроводящие дорожки необходимо вести через упругие подвесы, ширина которых мала. Это накладывает ограничение на максимально допустимую силу тока, и, следовательно, на силу взаимодействия.

Электромагнитный преобразователь – его принцип действия аналогичен магнитоэлектрическому с тем исключением, что на чувствительном элементе расположен постоянный магнит, а катушки расположены на корпусе датчика. Это снимает ограничения на силу тока, пропускаемого в катушке, но накладывает ограничения на размеры и свойства магнита, расположенного на чувствительном элементе.

3) Количество осей, вдоль которых измеряется ускорение. Может быть одна, две или три оси.

4) Выходной сигнал – может быть аналоговый, цифровой, в виде ШИМ или по какому-либо интерфейсу, например SPI или I2C.

5) Герметизация. Применяется при высокой демпфирующей силе во внешней среде, в этом случае объём датчика может заполняться инертным газом или вакуумом.

Рассматриваемый датчик ускорения построен с использованием электромагнитного силового преобразователя и оптического метода съёма показаний, съём производится вдоль одной оси. Выходной сигнал в виде ШИМ. Герметизация не производится.

Среди наиболее известных зарубежных фирм, производящих датчики ускорения, можно назвать Analog Devices, STMicroelectronics, Freescale и многие другие.

Примеры микромеханических датчиков ускорения:

- серия ADXL производства Analog Devices: ADXL001, ADXL103, ADXL180, ADXL193 и т.д. Различаются чувствительностью, размерами корпуса, типом выходного сигнала и пр.

Акселерометр ADXL001 показан на рисунке 1, а структурная схема, показывающая его устройство, на рисунке 2.

Рисунок 1 - Акселерометр ADXL001 фирмы Analog Devices

Рисунок 2 – Схема акселерометра ADXL001

Акселерометр ADXL001 обладает следующими характеристиками:

Диапазон измеряемых ускорений ± 70g, ± 250g, ± 500g.

Нелинейность выходных характеристик 0, 2%

Шум: 4 мg/√ Гц

Чувствительность 16 мВ/g

Измерение ускорения вдоль одной оси.

Частота резонанса 22кГц.

Аналоговый выход

Напряжение питания от 3.2В до 6В.

8-ми выводной керамический корпус

- серии AIS и LIS фирмы STMicroelectronics, например AIS1200DS, AIS226DS, AIS326DQ, LIS202DL, LIS 244ALH и т.д.

Одноосевой акселерометр AIS1200DS показан на рисунке 3, а его структурная схема на рисунке 4.

Рисунок 3 - Акселерометр AIS1200DS фирмы STMicroelectronics

Рисунок 4 – Схема акселерометра AIS1200DS

Акселерометр AIS1200DS обладает следующими характеристиками:

Диапазон измеряемых ускорений ± 235g.

Нелинейность выходных характеристик 0, 3%

Чувствительность 0.49 g/LSb

Измерение ускорения вдоль одной оси.

Частота резонанса 19.6 кГц.

Цифровой выход, 10 разрядов

Напряжение питания от 6.5В до 30В.

Корпус SO16W

- серия MMA фирмы Freescale Semiconductor, акселерометры MMA1612NKW, MMA6260Q, MMA1260D, MMA3201D, MMA2300D и пр.

Рисунок 5 – Акселерометр MMA1612NKW

Рисунок 6 – Схема акселерометра MMA1612NKW

Диапазон измеряемых ускорений от ±50g до ±312.5g

Нелинейность выходных характеристик 2%

Чувствительность 0.24 g/LSb

Измерение ускорения вдоль одной оси.

Частота резонанса 15.1 кГц.

Цифровой выход, 10 разрядов

Напряжение питания от 6.3В до 30В.

Корпус 16-выводной QFN.

Все приведённые датчики используют электростатический метод съёма, в этом заключается принципиальное отличие их от разрабатываемого датчика. Использование электромагнитного силового преобразователя, оптического метода съёма и режима автоколебаний позволит улучшить метрологические характеристики датчика, такие как погрешность, чувствительность, величина дрейфа, минимальное измеряемое ускорение и пр.[4].