Термические МЭМС-акселерометры для жестких условий эксплуатации от MEMSIC Inc.

| MEMSIC, Inc

Работа традиционных МЭМС-акселерометров строится на измерении емкости элементарной микромеханической ячейки. Это простое и достаточно надежное решение идеально подходит для определения ускорений в большинстве коммерческих и некоторых промышленных приложений. Вместе с тем такие датчики не могут использоваться в жестких условиях, например, при больших уровнях вибрации и значительных ударных нагрузках. Для таких случаев компания MEMSIC Inc. предлагает использовать термические МЭМС, которые не содержат механических подвижных частей.

Термические МЕМС-акселерометры от компании MEMSIC Inc.

Рис. 1. Термические МЕМС-акселерометры от компании MEMSIC Inc.

Разработчики и производители строительной техники (экскаваторов, бульдозеров, тракторов и т. д.) очень часто сталкиваются с проблемой определения положения рабочего инструмента, например, ковша экскаватора. Чаще всего это не одноосевая, а двух- или даже трехосевая задача. Казалось бы, решить ее не составляет проблем, если воспользоваться обычными МЭМС-датчикам. Однако не все так просто.

При работе строительной техники (экскаватора, бульдозера, автокрана и т. д.) неизбежно возникают значительные вибрационные нагрузки. Они могут быть связаны с работой двигателя, с передвижением по сильно пересеченной местности, с перемещением рабочего инструмента (ковша или стрелы). Вибрация негативно действует на всю аппаратуру, находящуюся на борту у данной машины. К еще более разрушительным последствиям могут привести ударные нагрузки.

Все перечисленные негативные воздействия относятся и к МЭМС-датчикам. Безусловно МЭМС-акселерометры для того и нужны, чтобы определять ускорения, однако все дело в частоте и энергии вибраций и ударных нагрузок. Если энергия велика, то МЭМС-сенсор может деградировать или банально разрушиться. То же самое произойдет, если датчик попадет в резонанс с вибрационными колебаниями. Чтобы понять причину уязвимости традиционных микромеханических датчиков, необходимо вспомнить об общих принципах их работы.

Как известно, в традиционных МЭМС-акселерометрах основным элементом является микромеханическая ячейка (рис. 2). С помощью интегральных технологий на поверхности кремниевой подложки выращивают мембрану с расположенным на ней электродом. Второй электрод расположен на неподвижной подложке под мембраной. Пара электродов образует пространственный конденсатор. При возникновении ускорения в направлении, перпендикулярном мембране, сама мембрана деформируется вверх или вниз. Если происходит деформация и расстояние между электродами увеличивается, то емкость конденсатора уменьшается. И наоборот, емкость будет увеличиваться, если  расстояние между электродами при деформации мембраны уменьшается.

Упрощенная структура емкостного МЕМС-акселерометра

Рис. 2. Упрощенная структура емкостного МЕМС-акселерометра

Таким образом, МЭМС-акселерометр в буквальном смысле представляет собой механическую систему. И, как всякая механическая система, она имеет недостатки, например, резонанс. Это потенциально может приводить к нескольким негативным последствиям. Во-первых, при частоте, близкой к резонансу, возникает эффект постоянного ускорения, когда положение мембраны без наличия реального ускорения будет иметь деформированное состояние. Во-вторых, при наличии мощных вибраций ячейка и вовсе может разрушиться или деградировать. Деградация может начаться и при значительных ударных нагрузках. В-третьих, при постепенной деградации вся калибровка, сделанная ранее, оказывается нарушенной, и датчик начинает производить неверные измерения. В-четвертых, обычные МЭМС подвержены старению, как и все подвижные механизмы. Это выражается в уменьшении чувствительности ячеек с течением времени, особенно при наличии сильных ускорений в течение времени эксплуатации.

Для борьбы с этими эффектами производители датчиков прибегают к различным конструктивным усложнениям. Однако это с одной стороны ухудшает метрологические свойства датчиков, а с другой значительно увеличивает стоимость конечного решения.

Совершенно другой подход предлагает компания MEMSIC Inc. Ее решение заключается в принципиально ином построении ячейки датчика и создании термического МЭМС-акселерометра. Элементарная ячейка при этом имеет герметичную структуру с нагревателем и датчиками температуры (рис. 3).

Структура термических МЕМС-акселерометров от компании MEMSIC Inc.

Рис. 3. Структура термических МЕМС-акселерометров от компании MEMSIC Inc.

В упрощенном виде принцип работы такой структуры заключается в следующем: нагреватель производит нагрев молекул газа в камере, а сверхчувствительные датчики фиксируют дифференциальную температуру этого газа. Даже при малейшем ускорении или повороте происходит изменение числа молекул, ударяющихся о поверхность датчиков температуры. Например, при повороте представленной ячейки по часовой стрелке количество молекул, попадающих на датчик 1, уменьшится, а попадающих на датчик 2 возрастет. По разности показаний можно определить ускорение. Как видно, система не имеет механических подвижных частей, а значит теоретически свободна от возникновения резонанса и невосприимчива к ударным нагрузкам.

В итоге предложенная структура базовой ячейки акселерометра имеет следующие достоинства:

  • отсутствие частоты резонанса и устойчивость к вибрациям в широком диапазоне частот;
  • максимальная стойкость к ударным нагрузкам (до 50 000 g);
  • нет эффекта залипания;
  • отличная температурная и временная стабильность;
  • не требуют особой технологии производства.

Сейчас номенклатура MEMSIC насчитывает более двух десятков термических МЭМС-акселерометров с различными коммуникационными интерфейсами:

  • двухосевые акселерометры с SPI-интерфейсом MXP7205VF и MXP7205VW;
  • двухосевые акселерометры с аналоговым выходом, с различной чувствительностью (MXP7205VF,  MXP7205VW, MXR7305VF, MXR7250VW, MXA2500EL, MXA2500EL, MXR6500MP, MXR7900CF, MXR2999EL);
  • трехосевые акселерометры с аналоговым выходом, с различной чувствительностью (MXR9500MZ, MXR9150MZ);
  • двухосевые акселерометры с I2C-интерфейсом и различной чувствительностью (MXC6232xMP, MXC6235xQB, MXC6232xEP, MXC6255XU, MXC6255XC, MXC6244AU, MXC6245XU);
  • трехосевые акселерометры с I2C-интерфейсом и различной чувствительностью (MXC4005XC);
  • двухосевые акселерометры с ШИМ-выходом, с различной чувствительностью (MXD6235MP, MXD2020EL, MXD6235QB).

В качестве примера более подробно рассмотрим акселерометр MXP7205VF.

MXP7205VF – двухосевой акселерометр с высокоскоростным SPI интерфейсом. Он предназначен для работы с диапазоном ускорений ±5g и выполняет измерения с 14-битной или 10-битной точностью, при этом его чувствительность составляет 1,25 mg или 20 mg.

Акселерометр выпускается в миниатюрном корпусе 5x5x2 мм LCC-8. При этом в нем умещается сразу две измерительные ячейки (рис. 4). Каждая из ячеек имеет по два датчика температуры, сигналы которых подаются на программируемый дифференциальный усилитель, встроенную температурную компенсацию, АЦП, ФНЧ, схему управления нагревателем.

Блок схема двухосевого датчика MXP7205VF

Рис. 4. Блок схема двухосевого датчика MXP7205VF

Каждый из каналов имеет собственный цифровой фильтр нижних частот, настроенный на удаление составляющих спектра с частотой выше 29 Гц. Если учесть, что собственный шум MXP7205VF составляет всего 0,6mg/ √Гц, то реальная чувствительность измерений достигает максимального значения 1,25 mg при частотах 1 Гц.

Так же как и остальные акселерометры от MEMSIC, MXP7205VF отличается высокой устойчивостью к ударным нагрузкам (до 50 000 g) и высокой температурной стабильностью (±30 mg в диапазоне –40…105 °C).

В качестве коммуникационного интерфейса в  MXP7205VF используется SPI со скоростью передачи данных до 8 МГц.

Кроме дискретных микросхем акселерометров MEMSIC выпускает и готовые модули, заключенные в специализированные корпуса. На рис. 5 представлен двухосевой акселерометр серии CXL-GP.

Модульный акселерометр серии CXL-GP

Рис. 5. Модульный акселерометр серии CXL-GP

В конце статьи хочется еще раз подчеркнуть, что основные достоинства акселерометров от MEMSIC Inc. в первую очередь будут востребованы в специальных приложениях со значительными уровнями вибрационных и ударных нагрузок: тракторы, бульдозеры, грейдеры, автокраны и строительные краны, автотранспорт и т. д. 

Характеристики 2-хосевого акселерометра MXP7205VF:

  • диапазон ускорений: -5…+5 g;
  • чувствительность: 10 бит (50 LSB/ g); 14 бит (800 LSB/ g);
  • полоса частот: 29 Гц;
  • температурная стабильность: ±30 mg при –40…+105 °C;
  • уровень собственных шумов: 0,6mg/ √Гц;
  • устойчивость к перегрузкам: 50 000 g;
  • коммуникационный интерфейс: SPI (8 МГц);
  • диапазон напряжения питания: 4,5…5,25 В;
  • диапазон рабочих температур: −40°…+105 °C;
  • корпусное исполнение: 5 x 5 x 2 мм LCC-8.

О компании

MEMSIC Inc.– американская компания, специализирующаяся на разработке и производстве МЭМС-датчиков (акселерометры, магнитометры), датчиков тока и потока.

Акселерометры от MEMSIC Inc. используют нестандартный подход к определению ускорения. Вместо емкостной связи используется измерение теплового потока молекул газа во внутренней герметичной ячейке датчика.

Производитель: MEMSIC, Inc
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MXP7205VW
MXP7205VW
MEMSIC, Inc
Арт.: 2195286 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Двухосевой акселерометр с высокоскоростным SPI интерфейсом
MXP7205VW от 878,34
-
Поиск
предложений
MXP7205VF
MXP7205VF
MEMSIC, Inc
Арт.: 2195706 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Двухосевой акселерометр с высокоскоростным SPI интерфейсом предназначен для работы с диапазоном ускорений ±5g и выполняет измерения с 14-битной или 10-битной точностью, чувствительность 1,25 mg или 20 mg.
MXP7205VF
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()