Поверхностные интегральные акселерометры на основе ёмкостных датчиков

Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLxxx поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идёт ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г.

Весь кристалл акселерометра размером 3,05×3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1×1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой плёнки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.

На рисунке 5.9 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Её пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной ёмкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие её на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и её возврат в исходное положение. Говоря другими словами, сила инерции при воздействии ускорения.

уравновешивается силой упругости пружины.

где т — масса; а — ускорение; к — жёсткость пружины; х — перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что а = = х (к / т), причём к / т — конструктивный параметр датчика.

Рис. 5.9. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения.

Поскольку перемещение инерционной массы должно происходить в плоскости поликремниевой плёнки, ось чувствительности датчика лежит в этой плоскости. Следовательно, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик.

Каждый из наборов неподвижных обкладок конденсатора (7 и Z) электрически соединён параллельно внутри схемного кристалла. В результате получается пара независимых конденсаторов X—Y и X—Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены ко встроенным схемам формирования сигнала акселерометра. В спокойном состоянии (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки X благодаря растяжкам находятся на одинаковом расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При каком-либо ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В результате этого относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и ёмкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяются.

Хотя в конструкции акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки 7 и Z (рис. 5.10). Ёмкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причём его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Фазочувствительный демодулятор преобразует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идёт на внешний вывод ИМС.

Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подаётся на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создаёт электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно V_out = 1,8 В, при полном ускорении — ±50g V_out = 1,8 ± 1,5 В.

Рис. 5.10. Схема акселерометра ADXL50.

В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, повысить его экономичность, увеличить размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, снизить стоимость, но, с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к некоторому реальному ухудшению линейности.

Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подаётся на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.

В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20% ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

Для того чтобы снизить требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров прямо от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению юо ускорения на напряжение питания. В таком случае его следует включать по логометрической схеме. В этой схеме удобно применить АЦП, который использует питающее напряжение в качестве опорного. Следует заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП должен быть буферный усилитель, так как выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.

В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5g, ±50g, ±100g соответственн, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2g, ±10g и ±50g соответственно. Датчики изготавливаются в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, причём оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202E выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5x5x2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g.

Рис. 5.11. Логометрическая схема подключения акселерометра.

Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) — определение угла наклона относительно горизонта. Это можно использовать в охранных системах автомобилей, для определения местоположения бура при бурении наклонных скважин и др.

Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведённых к 1 g, от угла его наклона представлены на рисунке 5.12.

Рис. 5.12. Использование акселерометра для измерения наклона.

Рисунок 5.13 показывает упрощённую блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и приём его любым микроконтроллером, имеющим таймер (АЦП не нужен!). Сигнал на выходе каждого канала датчика имеет форму, показанную на рисунке 5.14, причём ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:

Рис. 5.13. Блок-схема двухосного акселерометра ADXL202.

Рис. 5.14. Выходной сигнал двухосного акселерометра ADXL202.

Здесь видно, что относительная длительность, равная 0,5, соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т₂ не нужно измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т₂ достаточно измерить только на одном канале. Эта величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET. Недостатком акселерометров с ШИМ-выходом является необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высокой разрешающей способности при широкой полосе пропускания.

Для акселерометров компании Analog Devices приведём несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем.

Масса инерционного грузика — 0,1 мкг.

Ёмкость каждой части дифференциального конденсатора — 0,1 пФ.

Минимальное обнаруживаемое отклонение ёмкости — 20 аФ (10— 18 Ф).

Изменение ёмкости, соответствующее ускорению полной шкалы, — 0,01 пФ.

Расстояние между обкладками конденсатора — 1,3 мкм.

Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора — 0,2 ангстрема.

Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами так же, как и точность датчиков другого типа, определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурным и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путём калибровки и запоминания калибровочных констант в памяти микроконтроллера.

Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.

юз Шум, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении малых ускорений. Предельное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путём включения ФНЧ на выходе датчика приводит к снижению уровня шума. Это улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, однако вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство ХММА — 4-го порядка, ADXL190 — 2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 имеют выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.

Вопросы и упражнения к главе 5

• 1. Какие параметры влияют на ёмкость датчика?
• 2. Каковы требования к напряжению, питающему ёмкостной датчик?
• 3. Какие физические и физико-химические величины можно измерить с помощью ёмкостного датчика?
• 4. Какие параметры измерительной цепи влияют на погрешности ёмкостного датчика?
• 5. Каково влияние краевого эффекта на точность ёмкостного датчика?
• 6. Каковы недостатки измерительных цепей с незаземлённым ёмкостным датчиком?
• 7. На каком принципе основана работа ёмкостного датчика в резонансной измерительной цепи? Чем определяется его функция преобразования?
• 8. Сопротивление R ёмкостного датчика составляет 100 МОм, а его площадь 1 см². Каким должно быть расстояние между пластинами х, чтобы датчик пропускал звуковые частоты выше 20 кГц?