Układy scalone MEMS

Układy scalone MEMS
Pobierz PDF Download icon

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.

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

Artykuł ukazał się w
Luty 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów