Układy scalone MEMS

60 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 wybór konstruktora Układy scalone wykonane w technologii MEMS zawierają w swoje strukturze obwody elektroniczne, elektryczne oraz powiązane z  nimi mikromechanizmy. Do najczęściej stosowanych MEMSów, osiągalnych dla przeciętnego konstruktora elektronika, na- leżą: akcelerometry, żyroskopy, czujniki ci- śnienia oraz mikrofony. Akcelerometry Czujniki przyśpieszenia wykonane w  technologii MEMS oferowane są przez wielu dużych producentów układów elektro- nicznych. Na rynku można spotkać sensory przeznaczone do różnych zastosowań, przy czym są one podzielone na grupy w  zależ- ności od zakresu przyspieszeń, jakie mogą przetwarzać. Akcelerometry mogą być stosowane do wykrywania zmian sił działających na układ. Pozwalają zaprogramować reakcje urządze- Układy scalone MEMS W  artykule omówiono cztery grupy często stosowanych podzespołów wykonanych w  technologii mikro-elektro-mechanicznej. Technika ta często przekracza granice wyznaczane przez wyobraźnię przeciętnego człowieka. Subminiaturowe napędy, kondensatory, czujniki oraz inne podzespoły wręcz zdumiewają technologią wykonania. Czasami aż nie chce się wierzyć, że to w  ogóle jest możliwe. nia na przechylenie, poruszenie, przesunię- cie, wstrząsy lub wibracje. W praktyce sto- sowane są przede wszystkim w  systemach napełniania poduszek powietrznych w  sa- mochodach oraz w nowoczesnej elektronice użytkowej. W  tym pierwszym przypadku, konieczne jest wykorzystywanie elementów, które są odporne na różnego rodzaju tzw. wibracje pasożytnicze, jakie nie powinny powodować napełnienia poduszek. Powin- ny być niewrażliwe na pionowe wstrząsy w  trakcie jazdy po nierównej nawierzchni lub też np. na trzaśnięcia drzwiami. Akcelerometry wyposażone są najczę- ściej w wyjścia analogowe, napięciowe. Spo- tkać można też układy z wyjściami cyfrowy- mi w standardzie SPI lub I2 C. Wykrywają one przyspieszenia w  jednej, dwóch lub trzech osiach. W praktyce, układy przeznaczone do wykrywania większych przyspieszeń mają ograniczoną liczbę osi, w  których pracują, stąd gdyby zaszła konieczność pomiary przy- spieszeń rzędu 200  g w  dwóch lub trzech osiach, konieczne by było zastosowanie wię- cej niż jednego czujnika. Ważnym parametrem akcelerometrów jest częstotliwość drgań, jaką mogą przetwa- rzać. Drgania o częstotliwościach wyższych nie zostaną odnotowane przez sensor. Co więcej, niektóre z nich wyposażone zostały w  funkcję samotestowania. Aby ją urucho- mić należy podać odpowiednie napięcie na wyznaczoną nóżkę układu, co powodu- je odchylenie znajdującego się wewnątrz układu elementu elektromechanicznego pod wpływem siły elektrostatycznej. Wychylenie to jest mierzone przez sensor, a  wynik po- miaru podawany na wyjście układu. Dzięki temu jednocześnie sprawdzana jest zarówno zdolność elementu mechanicznego do re- agowania na pobudzenie, jak i części prze- twarzającej wychylenie elementu na sygnał wyjściowy. Najważniejszym parametrem, z  punktu widzenia precyzji pomiaru przyspieszenia, jest czułość sensora. Określa się ją w przy- padku wyjść analogowych napięciowych Tab. 1. Akcelerometry z oferty firmy Freescale Model Zakres pomiarowy [g] Wyjście Osie pracy Czułość [mV/g] Częstotliwość graniczna [Hz] MMA1211 150 analogowe Z 13 400 MMA2301 200 analogowe X 10 400 MMA1212 200 analogowe Z 10 400 MMA1200 250 analogowe Z 8 400 MMA3201 40 analogowe XY 50 400 MMA2201 40 analogowe X 50 400 MMA2202 50 analogowe X 40 400 MMA3204 30,1 analogowe XY ? 400 MMA3202 50,1 analogowe XY ? 400 MMA2204 100 analogowe X 20 400 MMA1213 50 analogowe Z 40 400 MMA1210 100 analogowe Z 20 400 MMA2260 1,5 analogowe X 1200 50 MMA7361L 1,5 analogowe XYZ 800 600 MMA7331L 4 analogowe XYZ 308 400 MMA7261QT 2,5 analogowe XYZ 480 150 MMA7260QT 1,5 analogowe XYZ 800 150 MMA1260EG 1,5 analogowe Z 1200 50 MMA1270EG 2,5 analogowe Z 750 50 MMA1250EG 5 analogowe Z 400 50 MMA1220 8 analogowe Z 250 250 MMA745xL 2 I2 C,SPI XYZ ? ? MMA62xx 100 analogowe, SPI XY ? 400 MMA7660FC 1,5 I2 C XYZ ? ? TEMAT NUMERU 61ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Układy scalone MEMS w  mV/g. Dla wyjść cyfrowych definiowana jest jako rozdzielczość sygnału. W praktyce, czułość jest tym większa, im mniejszy zakres pomiarowy. Akcelerometry zasilane są najczęściej pojedynczym napięciem 3,3 lub 5  V, przy czym mniejsze napięcie stosowane jest w przypadku sensorów o małym zakresie po- miarowych. Istnieją także elementy zdolne do pracy już przy napięciu zasilania równym 1,4 VDC. Świetnym przykładem jest oferta firmy Freescale, w która sprzedaje czujniki wykry- Rys. 1. Przykład podłączenia akcelerometru Freescale Rys. 2. Schemat budowy akcelerometru adxl278 Rys. 3. Schemat budowy wewnętrznej 3-osiowego akcelerometru ST LIS3LV02DQ Rys. 4. Sugerowany sposób podłączenia akcelerometru Freescale Tab. 2. Akcelerometry z oferty firmy Analog Devices Model Zakres pomiarowy [g] Wyjście Liczba osi pracy Czułość [mV/g] Częstotliwość graniczna [Hz] ADXL325 ?5 analogowe 3 174 1600 ADXL326 ?16 analogowe 3 57 1600 ADXL327 ?2 analogowe 3 420 1600 ADXL335 ?3 analogowe 3 300 1600 ADXL345 ?2/4/8/16 cyfrowe 3 do 256 c/g 1600 ADXL346 ?2/4/8/16 cyfrowe 3 do 256 c/g 1600 ADXL321 ?18 analogowe 2 57 2500 ADXL103 ?1,7 analogowe 1 1000 2500 ADXL203 ?1,7 analogowe 2 1000 2500 ADXL213 ?1,2 PWM 2 30 %/g 2500 ADXL001 ?70 analogowe 1 16 22000 ADXL278 ?70 analogowe 2 27 400 ADXL78 ?70 analogowe 1 27 400 ADIS16003 ?1,7 SPI 2 1.22 mg/c 2250 ADIS16006 ?5 SPI 2 3.91 mg/c 2250 ADIS16240 ?18 SPI 3 51.4 mg/c 1600 ADIS16204 ?70 (X); ?37 (Y) SPI 2 17.13 mg/c 400 c/g ? count per g (stopień rozdzielczości wyjścia na g); mg/c ? 0,001 g per count (0,001 g na stopień rozdzielczości wyjścia) wające małe, średnie i duże przyspieszenia. Freescale, ma obecnie w  ofercie 13 typów układów o małym zakresie pomiarowym, 9 z zakresu od 30 do 100 g i 5, które pozwa- lają mierzyć przyspieszenia powyżej 100 g. Każdy z tych układów oferowany jest w kil- ku wersjach obudów i w różnych opakowa- niach. Zdecydowana większość podaje na wyjścia sygnały analogowe, a ten najbardziej dokładne cechują się czułością na poziomie 1200  mV/g. Ich ceny wynoszą najczęściej około 3,5 dol. za sztukę w zakupach hurto- wych. Zastosowania wymienionych czujników zależą głównie od zakresu pomiarowego. Te o  największej czułości kierowane są do producentów tzw. elektroniki użytkowej, w  celu wykrywania czynności wykonywa- nych przez użytkownika. Układy o zakresie w  okolicach 50  g przeznaczone są do mo- nitorowania wibracji oraz do zabezpiecze- nia urządzeń elektromechanicznych przed 62 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 wybór konstruktora uszkodzeniem, poprzez blokowanie ich me- chanicznych elementów, jak tylko wykryte zostanie zbyt duże przyspieszenie. Elementy o  najwyższym zakresie pomiarowym, takie jak MMA1200 firmy Freescale, który pozwa- la na wykrywanie przyspieszeń rzędu 250 g, służą głównie do monitorowania wibracji lub analizowania zderzeń. Niewiele mniejszą ofertą akcelerome- trów pochwalić się może Analog Devices. Firma ta podzieliła swoje produkty na dwie grupy, w  zależności od zakresu przyspie- szeń, jakie wykrywają. W  pierwszej znaj- dują się układy o zakresie pomiarowym od 1,7 do 18 g. Maksymalne wykrywane przy- spieszenia układów z drugiej grupy to 70 g. Ponadto ADI oferuje akcelerometry scalone z dodatkowymi układami przetwarzającymi, czyniąc z nich tzw. inteligentne sensory. Na- leżą one do rodziny iSensor i są wyposażone w  interfejs SPI. Są wśród nich podzespoły przeznaczone specjalnie np. do pomiaru uderzeń lub obrotów. Układy ADI cechują się czułością po- dobną jak w przypadku Freescale przy czym oprócz elementów z wyjściem napięciowym, cyfrowym I2 C lub SPI, dostępny jest także model z  wyjściem PWM. Większość ukła- dów ADI jest w  stanie wykrywać wibracje o  częstotliwości 1,6 lub 2,5  kHz. W  przy- padku zintegrowanych podzespołów z  ro- dziny iSensor, wartość ta wynosi najczęściej 2,25  kHz. Warto też wspomnieć u  modelu ADXL001, który może wykrywać drgania o częstotliwości 22 kHz. Jednakże koszt tego elementu w hurcie to aż 37 dol za sztukę. Z  nieco inną ofertą spotkać się można w  STMicroelectronics. Przede wszystkim firma ta oferuje czujniki o zakresie pomiaro- wym nie większym niż 8 g, przy czym w wer- sji z wyjściem analogowym dostępne są mo- dele o  zakresie 2  g i  6  g. Moduły cyfrowe sprzedawane są w wersjach z interfejsem SPI lub I2 C i mogą wykrywać do 2 g, 4 g lub 8 g. W porównaniu do układów ADI i Freescale, akcelerometry Freescale cechują się mniej- szą maksymalną czułością ale dostępne są w wersjach, które pozwalają na wykrywanie wibracji o częstotliwości do 2 kHz. Podejście STM różni się także w inny sposób, a mia- nowicie producent ten oferuje jedynie ukła- Tab. 3. Akcelerometry z oferty firmy STMicroelectronics Model Zakres pomiarowy [g] Wyjście Liczba osi pracy Czułość [mV/g] Częstotliwość graniczna [Hz] AIS226DS ?2, ?6 cyfrowe 2 14 bitów 640 AIS326DQ ?2, ?6 cyfrowe 3 12 bitów 640 LIS202DL ?2, ?8 cyfrowe 2 8 bitów 200 LIS244AL ?2 analogowe 2 420 2000 LIS244ALH ?2, ?6 analogowe 2 660 2000 LIS2L02AL ?2 analogowe 2 660 2000 LIS2L06AL ?2, ?6 analogowe 2 660 2000 LIS302DL ?2, ?8 cyfrowe 3 8 bitów 200 LIS302DLH ?2, ?4, ?8 cyfrowe 3 12 bitów 500 LIS302SG ?2 analogowe 3 478 2000 LIS331AL ?2 analogowe 3 478 2000 LIS331DL ?2, ?8 cyfrowe 3 8 bitów 200 LIS331DLF ?2, ?4, ?8 cyfrowe 3 6 bitów 200 LIS331DLH ?2, ?4, ?8 cyfrowe 3 12 bitów 500 LIS331DLM ?2, ?4, ?8 cyfrowe 3 8 bitów 200 LIS331HH ?6, ?12, ?24 cyfrowe 3 12 bitów 500 LIS33DE ?2, ?4, ?8 cyfrowe 3 - 200 LIS344AL ?3,5 analogowe 3 300 2000 LIS344ALH ?2, ?6 analogowe 3 660 1,8 LIS352AX ?2 analogowe 3 363 2000 LIS35DE ?2, ?8 cyfrowe 3 - 200 LIS3L02AL ?2 analogowe 3 660 1500 LIS3L02AQ3 ?2, ?6 analogowe 3 660 1500 LIS3L06AL ?2, ?6 analogowe 3 660 1500 LIS3LV02DL ?2, ?6 cyfrowe 3 12 bitów 640 LIS3LV02DQ ?2, ?6 cyfrowe 3 12 bitów 640 Tab. 4. Akcelerometry z oferty firmy Memsic Model Zakres pomiarowy [g] Wyjście Liczba osi pracy Czułość [mV/g] Częstotliwość graniczna [Hz] MXA2050A 20 analogowe 2 50 30 (rozszerzalna do 160) MXA2050M 3,4 analogowe 2 500 17 (rozszerzalna do 160) MXA6500M 2 analogowe 2 500 MXC6202M 4 I2 C 2 512 c/g MXD2020E 2 PWM 2 20 %/g 17 MXD6025Q 4 PWM 2 25 %/g MXD6125Q 2 PWM 2 12,5 %/g MXR2010A 70 ilorazowe 2 10 30 (rozszerzalna do 160) MXR6150M 4 ilorazowe 2 150 MXR6400Q 2 ilorazowe 2 400 MXR6500M 3,4 ilorazowe 2 500 MXR9150 10 ilorazowe 3 150 MXR9500 3 ilorazowe 3 500 c/g ? count per g (stopień rozdzielczości wyjścia na g) dy wykrywające przyspieszenie w  dwóch lub trzech osiach. O ile ma w swojej ofercie układy przystosowane do zastosowań w mo- toryzacji, to próżno w niej szukać układów zdolnych do monitorowania bardzo silnych drgań. Zaletą analogowych czujników przy- spieszenia STM jest cena. Kosztują one już od niecałych 2 dol. w handlu detalicznym. Ważnym graczem na rynku czujników przyspieszenia wykonanych w  technologii MEMS jest firma Bosch. Oferuje ona dwie grupy akcelerometrów. Pierwsza z  nich to moduły wykonywane przez oddział Bosch Sensortec. Należą do niej dwa typy senso- rów z wyjściem cyfrowym i dwa z wyjściem analogowym, przy czym te pierwsze dostęp- ne są nie tylko w obudowie LGA, ale i QFN. Układy cyfrowe Boscha pozwalają na pomiar przyspieszenia w  dwóch osiach, a  analo- gowe w  trzech. Ich zakres pomiarowy nie przekracza 8 g i są one przeznaczone przede wszystkim do zastosowań w  elektronice użytkowej. Zdecydowanie różnią się one od akcelerometrów oferowanych przez dział motoryzacji firmy Bosch. Te, w  zależności od wersji, pozwalają na pomiar przyspieszeń 63ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Układy scalone MEMS o  wartości nawet do 480  g. Producent ofe- ruje odmiany jedno i dwu-osiowe, zarówno z wyjściami analogowymi, jak i cyfrowymi, przy czym istnieje możliwość zamówienia modelu z  wyjściem prądowym. Układy te przeznaczone są głównie do wykrywania zderzeń w  motoryzacji. Większość z  nich pracuje w paśmie do 400 Hz. Firmą, która produkuje głównie akcele- rometry w  technologii MEMS jest Memsic. Oferta Memsic została podzielona na dwie części. Pierwsza z  nich zawiera czujniki przyspieszenia przeznaczone do zastosowań w elektronice użytkowej. Druga ? czujniki do motoryzacji. Zostały one wyposażone w wyj- ścia analogowe, cyfrowe (SPI, I2 C) i  PWM. Maksymalny zakres pomiarowych tych ele- mentów to 70  g, a  częstotliwość graniczna wynosi kilkadziesiąt herców. Memsic ofe- ruje przede wszystkim elementy 2-osiowe, a  także dwa modele układów pracujących w trzech osiach. Warto wspomnieć, że pewną ofertę ak- celerometrów wykonanych w  technologii MEMS mają także firmy Honeywell, Kionix i  Delphi. Przy wyborze konkretnych ukła- dów należy jednak zwrócić uwagę, w  jaki sposób producent podaje zakres pracy ele- mentu. Niektórzy definiują go jako maksy- malne wykrywalne przyspieszenie, podczas gdy inni podają jako różnicę pomiędzy mak- symalnymi przyspieszeniami wykrywanymi w przeciwne strony, co w praktyce przekłada się na podwojenie wartości przyspieszenia w jedną stronę. Zarówno Freescale, Analog Devices, jak i STM oferują zestawy ewaluacyjne ułatwia- jące projektowanie z wykorzystaniem senso- rów przyspieszenia. Ponadto Analog Devices na swoich stronach internetowych publikuje multimedialne materiały, które mają pomóc projektantom w  zmierzeniu się z  tworze- niem urządzeń reagujących na zmiany przy- spieszenia. Żyroskopy Drugą ważną grupą produktów wyko- nywanych w technologii MEMS są żyrosko- py, czyli czujniki obrotu. Służą one przede wszystkim określaniu położenia i  ustawie- nia urządzenia w przestrzeni i podobnie jak akcelerometry, w  praktyce reagują na ruch. Precyzyjnie rzecz ujmując, mierzą one szyb- kość obrotu wyrażoną w stopniach na sekun- Rys. 5. Schemat budowy czujnika wibracji ADIS16220 Tab. 5. Czujniki żyroskopowe z oferty firmy Analog Devices Model Zakres pomiarowy [°/s] Czułość Częstotliwość graniczna [Hz] Osie (Y,P,R) ADIS16060 ?80 0,0122 °/s/c 1000 Y ADIS16080 ?80 0,098 °/s/c 40 Y ADIS16100 ?300 0,244 °/s/c 40 Y ADIS16120 ?300 0,2 °/s/mV 320 Y ADIS16130 ?250 0,000042 °/s/c 300 Y ADIS16250 od ?80 do ?320 0,0183 °/s/c 50 Y ADIS16251 od ?20 do ?80 0,00458 °/s/c 50 Y ADIS16255 od ?80 do ?320 0,0183 °/s/c 50 Y ADIS16260 od ?80 do ?320 0,0183 °/s/c 50 Y ADIS16265 od ?80 do ?320 0,0183 °/s/c 50 Y ADXRS610 ?300 6 mv/°/s 2500 Y ADXRS613 ?150 12,5 mV/°/s 3000 Y ADXRS614 ?50 25 mV/°/s 1000 Y ADXRS622 ?250 7 mV/°/s 2500 Y Y ? Yaw, P ? Pitch, R - Roll dę. Mogą mierzyć obrót w jednej, dwóch lub trzech osiach. Również i one zawierają wbu- dowane układy samotestujące, a ich najważ- niejszymi parametrami są czułość oraz gra- niczna częstotliwość wykrywanego ruchu. Zastosowania żyroskopów różnią się nie- co od typowych aplikacji akcelerometrów. Są one wykorzystywane głównie w elektronice użytkowej, jako sposób realizacji nowocze- snego interfejsu użytkownika, lub też w celu kompensacji wstrząsów w  takich urządze- niach jak kamery i aparaty fotograficzne. Ze względu na zbliżoną funkcjonalność oraz uzupełniające się możliwości, wiele firm produkuje zintegrowane czujniki zawierają- ce w sobie zarówno żyroskopy, jak i akcele- rometry. Sensory te nazywane są często iner- cyjnymi, ponieważ umożliwiają wykrywanie dowolnych sił, jakie poruszają urządzeniem. Czujniki obrotu znajdują się w ofercie ta- kich firm jak Analog Devices i STMicroelec- tronics. Ta pierwsza oferuje cztery typy ukła- dów z wyjściem analogowym, o maksymal- nym zakresie pomiarowym od 50 do 300°/s. Ich pasmo przenoszenia wynosi nawet do 3  kHz. W  przypadku modułów cyfrowych, których w ofercie ADI znajduje się 11 rodza- jów, maksymalny zakres pomiarowy wynosi do 320°/s a pasmo przenoszenia to albo oko- ło 50 albo 330 Hz. Warto przy tym dodać, że układy cyfrowe Analog Devices, o  paśmie kilkuset herców są bardzo drogie ? ich ceny wynoszą od 300 do ponad 600 dol. za sztukę. Nieco inaczej skonstruowała swoją ofertę firma STMicroelectronics. Oferuje ona nie- mal 30 różnych czujników żyroskopowych, przy czym ich maksymalny zakres pomia- rowy liczony jest w tysiącach °/s. Wszystkie one zasilane są napięciem z zakresu od 2,7 64 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 wybór konstruktora Tab. 6. Czujniki żyroskopowe z oferty firmy STMicroelectronics Model Zakres pomiarowy [°/s] Osie (Y,P,R) LY330ALH ?300 Y LY3100ALH ?1000 Y LY3200ALH ?2000 Y LPY403AL ?30/120 PY LPY410AL ?100/400 PY LPY430AL ?300/1200 PY LPY450AL ?500/2000 PY LPY4150AL ?1500/6000 PY LPR403AL ?30/120 PR LPR410AL ?100/400 PR LPR430AL ?300/1200 PR LPR450AL ?500/2000 PR LPR4150AL ?1500/6000 PR LY503ALH ?30/120 Y LY510ALH ?100/400 Y LY530ALH ?300/1200 Y LY550ALH ?500/2000 Y LY5150ALH ?1500/6000 Y LPY503AL ?30/120 PY LPY510AL ?100/400 PY LPY530AL ?300/1200 PY LPY550AL ?500/2000 PY LPY5150AL ?1500/6000 PY LPR503AL ?30/120 PR LPR510AL ?100/400 PR LPR530AL ?300/1200 PR LPR550AL ?500/2000 PR LPR5150AL ?1500/6000 PR LYPR540AH ?400/1600 YPR Y ? Yaw, P ? Pitch, R ? Roll do 3,6 V, przy czym tylko jeden może mie- rzyć szybkość obrotu we wszystkich trzech osiach. Wybierając czujnik dwuosiowy, na- leży koniecznie zwrócić uwagę, w  których kierunkach względem obudowy, umożliwia on pomiar szybkości obrotowej. To bardzo istotne, bowiem wybór czujnika o nieodpo- wiedniej orientacji, może uniemożliwić wy- krywanie obrotów, którym poddawane jest urządzenie. Tabela 7. Czujniki żyroskopowe z oferty firmy Invensense Model Czułość [mV/°/s] Zakres pomiarowy [?/°/s] Osie (Y,P,R) Wyjście 1 Wyjście 2 Wyjście 1 Wyjście 2 IDG-300 2 - 500 - PR IDG-400 2 - 500 - PR IDG-500 2 9,1 500 110 PR IDG-650 0,5 2,27 2000 440 PR IDG-1123 23 - 43 - PR IDG-1004 4 - 50 - PR IDG-1215 15 - 67 - PR IXZ-500 2 9,1 500 110 YP IXZ-650 0,5 2,27 2000 440 YP ISZ-500 2 9,1 500 110 Y ISZ-650 0,5 2,27 2000 440 Y ISZ-1215 15 - 67 - Y Y ? Yaw, P ? Pitch, R ? Roll Rys. 6. Schemat budowy wewnętrznej czujnika ciśnienia KP21x Ciekawą ofertę czujników żyroskopo- wych można znaleźć w  norweskiej firmie Sensonor. Sprzedaje ona tylko kilka modeli sensorów. Najprostsze z nich, SAR10 cechują się zakresem pomiarowym 100°/s lub 250°/s i zostały wyposażone w wyjście SPI, na któ- re podawany jest 10-bitowy sygnał. Nieco bardziej zaawansowane są moduły SAR10Z, które na wyjściu generują dane 12-bitowe. Producent sprzedaje powyższe modele je w  obudowach SOIC. W  ofercie znajdują się także moduły o  zwiększonej stabilności (SAR100), które dostarczane są w ceramicz- nej obudowie LCC. Do wszystkich czujników żyroskopowych marki Sensonor można do- kupić odpowiednie platformy uruchomie- niowe, które pozwalają na podłączenie ich do komputera PC za pomocą złącza USB. Najciekawszym produktem z oferty Sen- sonora są moduły żyroskopowe SIMU202. Zawierają one jeden, dwa lub trzy czujniki oraz 32-bitowy mikrokontroler ARM wy- konane na wspólnej płytce krzemowej. Ko- munikują się ze światem zewnętrznym za pomocą interfejsu RS422. Charakteryzują się maksymalnym zakresem pomiarowym na poziomie 400°/s oraz bardzo wysoką sta- bilnością. Dokonują pomiarów z  24-bitową rozdzielczością. Warto także wspomnieć o firmie Inven- sense, która specjalizuje się w  produkcji MEMS-owych żyroskopów. Ma ona w swo- jej ofercie kilkanaście produktów, z których większość to układy 2-osiowe. Nowością jest ITG-3200, który mierzy szybkość obrotu w trzech osiach i podaje na wyjściu sygnał cyfrowy, zgodny ze standardem I2 C. Układ ten może pracować już  przy napięciu zasi- lania równym 2,1 V i jest kierowany przede wszystkim do wbudowywania w  multime- dialne kontrolery gier oraz w różnego rodza- ju urządzenia przenośne. Pobiera niewiele prądu ? w trybie uśpienia jest to 5 mA, a czas przejścia do trybu aktywnej pracy wynosi 50 ms. Czujniki ciśnienia Kolejną dużą grup układów MEMS są czujniki ciśnienia. Jednym z ich dostawców jest firma Freescale, w  której ofercie znaj- dują się sensory zdolne do pomiaru ciśnień dochodzących do 150 psi (1000 kPa). Wśród nich znaleźć można zarówno czujniki różni- cowe, które mierzą różnicę ciśnień pomię- dzy dwoma odseparowanymi ośrodkami, jak i czujniki skalibrowane do pomiarów warto- ści absolutnych, tj. w  odniesieniu do próż- ni. Dostępne są również czujniki, mierzące 65ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Układy scalone MEMS Tab. 8. Czujniki ciśnienia z oferty firmy Freescale Model Typ Maksymalne ciśnienie [kPa] Poziom integracji Błąd po- miaru [%] Napięcie zasila- nia [V] MPX4080 różnicowy 80 zintegrowany 3 5,1 MPX4101 bezwzględny 102 zintegrowany 1,72 5 MPX4105 bezwzględny 105 zintegrowany - - MPX4200 bezwzględny 200 zintegrowany - - MPX4250 atmosferyczny, różnicowy, bezwzględny 250 zintegrowany 1,5 5,1 MPX5100 różnicowy, bezwzględny 100,115 zintegrowany 2,5 5 MPX5500 różnicowy 500 zintegrowany 2,5 5 MPX5700 bezwzględny, atmosferyczny, różnicowy 700 zintegrowany 2,5 5 MPX5999 różnicowy 1000 zintegrowany 2,5 5 MPXA6115A - - - - - MPXAZ6115A bezwzględny 115 zintegrowany 1,5 5 MPXH6115A - - - - - MPXH6300A bezwzględny 300 zintegrowany 1,5 5 MPXHZ6115A bezwzględny 115 zintegrowany 1,5 5 MPXHZ6130A bezwzględny 130 zintegrowany 1,5 5 MPXV5100 bezwzględny, atmosferyczny 100 zintegrowany 2,5 5 MPXV6115V próżniowy 115 zintegrowany - 5 MPXV7007DP atmosferyczny, różnicowy 7,-7 zintegrowany 5 3,5 MPXV7025DP atmosferyczny, różnicowy -25,25 zintegrowany 5 5 MPXx4006 różnicowy, atmosferyczny 6 zintegrowany 5 5 MPXx4100 bezwzględny 115,105 zintegrowany 1,8 5,1 MPXx4115 bezwzględny, próżniowy 115 zintegrowany 1,5 5,1 MPXx5004 atmosferyczny, różnicowy, próżniowy 4 zintegrowany 2,5 5,3 MPXx5010 różnicowy, atmosferyczny 10 zintegrowany 5 5,3 MPXx5050 atmosferyczny, różnicowy, bezwzględny, próżniowy 50 zintegrowany 2,5,5 3,5 MPXx6115 bezwzględny 115 zintegrowany 1,5 5,3 MPXx6250 bezwzględny 250 zintegrowany 1,5 5 MPXx6400 bezwzględny 400 zintegrowany 1,5 5 MPXZ5150 - - - - - MPXV7002 różnicowy -2,2 zintegrowany 2,5 5 MPX230xDT1 atmosferyczny 40 skompensowany - 6 MPXC2011DT1 - - - - - MPXC201xDT1 atmosferyczny 10 skompensowany - 3 MPXHZ6116 bezwzględny 115 zintegrowany 1,43 5 MPXx2010 różnicowy, atmosferyczny 10 skompensowany - 10 MPXx2050 atmosferyczny, różnicowy 50 skompensowany - 10 MPXx2051 atmosferyczny 50 skompensowany - 10 MPXx2053 różnicowy, atmosferyczny, próżniowy 50 skompensowany - 10 MPXx2100 próżniowy, bezwzględny, różnicowy, atmosferyczny 100 skompensowany - 10 MPXx2102 atmosferyczny, bezwzględny, różnicowy, próżniowy 100 skompensowany - 10 MPXx2200 atmosferyczny, bezwzględny, różnicowy 200 skompensowany - 10 MPXx2202 bezwzględny, atmosferyczny, różnicowy 200 skompensowany - 10 MPXx10 atmosferyczny, różnicowy 10 nieskompensowany 3 MPXx12 atmosferyczny, różnicowy 10 nieskompensowany 3 MPXx53 różnicowy, atmosferyczny 50 nieskompensowany 3 ciśnienie w odniesieniu do ciśnienia otocze- nia. Zostały one tak skonstruowane, że wy- magają dostępu do ciśnienia atmosferyczne- go i nie mogą być stosowane jako klasyczne czujniki różnicowe, mimo że w gruncie rze- czy ich pomiar polega na porównaniu dwóch ciśnień. W ofercie Freescale znaleźć można również sensory przeznaczone do pomiaru jakości próżni, czyli działające w bardzo ni- skich ciśnieniach. Dostępne są również mo- dele przystosowane do pomiarów mediów agresywnych. 66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 wybór konstruktora Tab. 9. Czujniki ciśnienia z oferty firmy Infineon Model Zakres pomiarowy [kPa] Wbudowa- ny akcele- rometr SP300V5.0-E106-0 100 - 450 tak SP300V5.0-E116-0 100 - 900 tak SP300V5.0-E206-0 100 - 450 nie SP300V5.0-E216-0 100 - 900 nie SP30T-00E00-06B 100 - 1600 tak SP370-03-106-0 100 - 450 tak Rys. 7. Przykładowy sposób podłączenia czujnika ciśnienia Większość z czujników ciśnienia Freesca- le zasilana jest napięciem 5 V, choć dostępne są również układy, których oznaczenie za- czyna się od MPXx5, a które mogą pracować z napięciem 3 V. W większości są elementami z wbudowaną kompensacją temperaturową, a ponadto mogą pracować w temperaturach od ?40 do +125°C, przy czym zakres kom- pensowany jest znacznie węższy i mieści się w granicach od 0 do 85°C. Sensory ciśnienia wyposażane są naj- częściej w  wyjścia napięciowe, przy czym niektóre z nich mają wyjścia różnicowe. Wy- prowadzenia mechaniczne czujników zależą od modelu i dostosowane są do konkretne- go typu pomiaru. Stąd, niektóre z nich mają dwa porty przyłączeniowe, do których pod- łącza się badany ośrodek. W zakresie czujników ciśnienia, pewną grupę produktów można znaleźć w firmie Infineon. Sam pomiar dokonywany jest poprzez badanie zmian pojemności kon- densatorów mikro-elektro-mechanicznych. Infineon skoncentrował się na tworzeniu sensorów stosowanych głównie w  moto- ryzacji, przy czym są to zarówno czujniki do pomiaru ciśnienia w  oponach samo- chodowych, jak i sensory zgniatania, które instaluje się w drzwiach pojazdów, celem wykrycia zderzenia bocznego. Pierwsze z nich pozwalają na pomiary ciśnień nawet do 1600  kPa, a  dzięki temu że zawierają zintegrowany mikrokontroler, czujnik tem- peratury i  woltomierz, mogą służyć także do pomiaru innych wartości. Co więcej, niektóre z  nich wyposażone zostały we wbudowane akcelerometry, które pozwala- ją na wykrywanie przyspieszeń do 115  g. Pozwala to na realizację wielu zadań po- miarowych za pomocą pojedynczego ukła- du scalonego. Ze względu na wbudowany mikrokontroler, wynik pomiaru dostępny jest w postaci cyfrowej. Infineon oferuje także kilka różnych czujników ciśnienia atmosferycznego, z któ- rych większość pracuje w zakresie od 40 do 115  kPa. Wszystkie one zasilane są napię- ciem 5  V i  różnią się między sobą jedynie precyzją pomiaru. Ich wyjście pomiarowe generuje sygnał analogowy o  napięciu pro- porcjonalnym do badanego ciśnienia. Ponad- to wyposażone zostały w  interfejs cyfrowy, za pomocą którego możliwa jest konfiguracja i testowanie elementu. Zbliżony do oferty Infineona wybór czuj- ników ciśnienia MEMS można znaleźć w fir- mie Bosch. Produkuje ona zarówno czujniki ciśnienia atmosferycznego, detektory zgnie- cenia montowane w  pojazdach, jak i  urzą- dzenia do monitorowania ciśnienia opon. Wszystkie one mają wyprowadzenia w  po- staci analogowych wyjść napięciowych. Wymieniając producentów MEMS- owych czujników ciśnienia warto wspo- mnieć o firmach NovaSensor i Silicon Micro- structures. Ta pierwsza należy od niedawna do koncernu General Electric i oferuje kilka modeli sensorów. Jednym z  ciekawszych jej produktów jest układ NPC-100, przezna- czony do zastosowań medycznych. Mają one wymiary około 2×7×4 mm i przystosowane są do jednorazowego użytku. Pozwalają na pomiar od ?0,58 do +5,8 psi i mogą praco- wać w temperaturach od 15 do 40°C. Ich czas życia to 168 godzin użytkowania, a w maga- zynie mogą leżeć do 3 lat. Druga z  firm, Silicon Microstructures tworzy czujniki w  oparciu o  trzy rodzaje układów pomiarowych. Pierwszy z nich po- zwala na pomiary ciśnień z zakresu od 0,15 do 3 psi, drugi od 5 do 100 psi, a trzeci od 100 do 300 psi. W środkowym zakresie do- stępne są trzy podgrupy o  różnej precyzji działania. Czujniki ciśnienia ma w  swojej ofercie także wcześniej opisywana firma Sensonor, która sprzedaje zarówno układy nieskom- pensowane temperaturowo, zawierające wyjścia napięciowe analogowe, jak i elemen- ty skompensowane z  12-bitowymi wyjścia- mi cyfrowymi. Trzecią grupę jej produktów stanowią skompensowane sensory ciśnienia otoczenia z wbudowanymi mikrokontorlera- mi. Precyzja sygnałów wyjściowych zależna jest wtedy od konfiguracji dokonanej przez użytkownika. Zarówno Sensonor, jak i Silicon Micro- structures oferują same układy przetworni- kowe, które stosują w  swoich czujnikach. Pozwalają na integrację ich w  projektach czujników ciśnienia, opracowywanych przez firmy trzecie. Mikrofony Czwartą grupą czujników MEMS, wywo- dzącą się bezpośrednio z sensorów ciśnienia są tzw. mikrofony krzemowe. Ich produkcją zajmują się te same firmy co innymi czujni- kami MEMS-owymi, takie jak Analog Devi- ces i  Infineon. Grupę tę uzupełniają firmy które powstały po to by tworzyć wysokiej jakości, mikroskopijne scalone mikrofony. Przykładem mogą firmy Knowles, Wolfson Microelectronics i należąca do Boscha Aku- stica. ADI produkuje tylko dwa rodzaje mi- krofonów MEMS: analogowy ADMP401 i  cyfrowy ADMP421. Charakteryzują  się one stosunkiem sygnał-szum na poziomie 62 i 61 dBA oraz czułością ?42 dBV w przy- padku układu analogowego i ?26 dBFS dla ADMP421, mierzoną dla 1  kHz. Ich pa- smo przenoszenia wynosi od 100  Hz do 15 kHz, a koszt przy zakupie hurtowym to odpowiednio 1,63 dol. i 2,04 w przypadku ADMP421. Infineon oferował tylko jeden mikrofon MEMS: SMM310, który obecnie nie jest już produkowany. Charakteryzuje się on stosun- kiem SNR równym 59  dBA. Na rynek ten wkroczyła niedawno także firma STMicro- 67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2010 Układy scalone MEMS Rys. 8. Sposób podłączenia mikrofonu MEMS Infineon lectronics, która zamierza sprzedawać mi- krofony MEMS wykonane z wykorzystaniem technologii firmy Omron. Znacznie większy wybór mikrofonów MEMS mają firmy specjalizujące się w nich. Knowles oferuje około 20 układów, które różnią się między sobą typem wyjść, wiel- kością odpornością na zakłócenia elektro- magnetyczne oraz lokalizacją portu, czyli miejsca, przez które dźwięk dociera do czuj- nika. Znajduje się ona albo na wierzchu (jak w  przypadku SMM310) albo pod spodem obudowy, tak jak w produktach ADI. Układy Knowles charakteryzują się stosunkiem SNR na poziomie od 55 do 62 dBA, w zależności od modelu. Najmniejsze z  nich mają wy- miary 3,76×2,95×1,10 mm. Cyfrowy układ SPM0405HD4H podaje na wyjście sygnał w formacie PCM. Firma Wolfson Microelec- tronics ma nieco węższą ofertę. Produkuje dwa rodzaje mikro- fonów z  wyjściami analogowy- mi. Różnią się one nie tyle samą czułością, co precyzją jej okre- ślenia. Ponadto każdy z  nich dostępny jest w  dwóch wer- sjach obudowy: w  większej, tj. 4,72×3,76×1,25  mm i  mniejszej: 3,76×2,95×1,1  mm. Układy Wol- fon Microelectronics zostały nie- dawno wprowadzone do sprzedaży po- przez firmę Farnell. Chyba najmniejsze mikrofony na świe- cie można znaleźć w ofercie firmy Akusti- ca. AKU1126 ma jedynie 2×2×1,25  mm. Zawiera cztery wyprowadzeni a, w  tym analogowe wyjście napięciowe oraz wej- ście za pomocą którego można regulować wzmocnienie sygnału w  zakresie od ?33 do ?45  dBV. Układ ten może być zasila- ny napięciem z  zakresu od 1,65 do 3,6  V i  w  trakcie pracy pobiera 140  mA prądu. Jego współczynnik SNR to 57  dB. Produ- cent chwali się, że struktura półprzewod- nikowa tego elementu ma jedynie 1×1 mm, dzięki czemu udało mu się uzyskać tak nie- wielkie rozmiary. Port wejściowy sygnału dźwiękowego umieszczony został na górze obudowy. W  tym samym miejscu znajduje się port wejściowy cyfrowego mikrofonu fir- my Akustica, modelu AKU2002C. Cechuje się on zbliżonymi parametrami, choć ma wyraźnie większe wymiary. Dzięki do- datkowemu wejściu wyboru kanału przy- stosowany został do pracy w  konfiguracji stereofonicznej (jeśli urządzenie wyposaży się w drugi mikrofon) i może być w prosty sposób wyłączany, by ograniczyć zużycie prądu. Producent oferuje także prosty ze- staw ewaluacyjny, który ułatwia tworzenie projektów z wykorzystaniem AKU2002C. Marcin Karbowniczek R E K L A M A