Компания Analog Devices (г. Норвуд, штат Массачусетс, США), отметившая в этом году 50-летний юбилей, известна своими прецизионными операционными усилителями (ОУ), АЦП/ЦАП, цифровыми сигнальными процессорами и многими другими аналоговыми и цифровыми микросхемами. Однако в ассортименте компании представлены и интегральные продукты на основе технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС, в США – MEMS, в Европе MTS – устройства микросистемной технологии).
Компания Analog Devices, Inc (ADI) была основана в 1965 г. в городе Кембридже (штат Массачусетс, США) выпускниками Массачусетского технологического института (MIT) Рэймондом Стата (Raymond S. Stata) и Мэтью Лорбером (Matthew Lorber). Первыми продуктами компании были модульные операционные усилители Model 101/102/103, собираемые вручную из дискретных электронных компонентов.
Модульные ОУ компании отличались высокой повторяемостью и минимальным разбросом основных параметров – токов и напряжений смещения и сдвига, малыми температурными коэффициентами. Это давало возможность применять их в качестве усилителей сигналов датчиков физических величин (температуры, освещённости и других) для проведения точных измерений. В то время клиентами компании были производители специальной, космической и военной электроники, а также измерительной техники, для которых требовались устройства отображения измеряемых величин в цифровом виде.
В 1969 г. ADI приобрела одного из лидеров рынка в деле производства преобразователей данных – компанию Pastoriza Electronics. Первыми преобразователями, выпущенными отделением Pastoriza Division of Analog Devices, были АЦП последовательных приближений – 10-разрядный ADC-F и 12-разрядный ADC-U. В начале 1970-х гг. компания разработала первые монолитные тонкоплёночные 12-разрядные АЦП ADC-12QM, внешний вид которых показан на рисунке 1. Первым сравнительно дешёвым и промышленно стандартизированным 12-разрядным АЦП общего назначения, выпущенным на рынок, был ADC-12QZ (1972 г.). В преобразователе использовались интегральные блоки с четырёхразрядным ключом (Quad-Switch) и прецизионные тонкоплёночные резисторные матрицы для внутренних ЦАП.
Разработка и производство ОУ, АЦП и ЦАП в компании успешно развивались, однако многие клиенты компании были заинтересованы в интегральных решениях, объединяющих датчики физических величин с ИС усиления и преобразования сигналов. Среди множества типов датчиков, используемых для измерения параметров движения и пригодных для интеграции в микросхемы, выделяются датчики на основе микроэлектромеханических систем. Работы в этом направлении в середине 1980-х гг. проводила группа инженеров под руководством Доктора Ричарда Пэйна (Dr. Richard Payne) из отделения MEMS Division of Analog Devices, что в городе Уилмингтон (штат Массачусетс, США). Первым МЭМС-продуктом, прототип которого компания представила в 1989 г., был интегральный акселерометр ADXL50, предназначенный для систем активации подушек безопасности автомобилей. Его серийное производство началось в 1991 г.
ADXL50 – интегральный одноосевой акселерометр с поверхностным датчиком ускорения (Surface-Micromachined, Monolithic Accelerometer), структура микросхемы которого приведена на рисунке 2, а внешний вид кристалла – на рисунке 3. Поверхностными называют МЭМС, позволяющие детектировать ускорение в плоскости, параллельной поверхности кристалла. Кристалл микросхемы размерами 3 × 3 мм занят, в основном, схемами формирования сигнала, окружающими миниатюрный датчик ускорения размерами 500 × 625 мкм (площадь менее 1,2 мм2), расположенный в центре кристалла. Сам датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную систему с воздушным диэлектриком и обкладками, вытравленными из плоской поликремниевой плёнки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки выполнены в виде простых стержней, расположенных на высоте 1 мкм от поверхности кристалла. Подвижные обкладки связаны с подпружиненной инерциальной балкой (Beam), укреплённой на фиксирующих анкерах.
Упрощённая структура одной ячейки конденсаторной системы показана на рисунках 4а и 4б, функциональная схема измерителя ускорения – на рисунке 5. Весь датчик состоит из 42 элементарных конденсаторных ячеек, его подвижная инерциальная масса при изменении скорости перемещения кристалла микросхемы смещается относительно неподвижной части конденсаторной системы. Неподвижные обкладки соединённых параллельно ячеек образуют дифференциальный переменный конденсатор, ёмкость которого зависит от положения подвижных частей между неподвижными обкладками. Пружинные растяжки на концах подвижной системы удерживают её на весу и обеспечивают возврат инерциальной подвижной массы в исходное положение при отсутствии ускорения (в неподвижном положении и при постоянной линейной скорости движения).
Сила инерции при воздействии ускорения определяется формулой F = ma, уравновешивающая сила упругости пружин подвижной системы – формулой F = kx, где m – масса, a – ускорение, k – жёсткость пружины, х – перемещение массы относительно исходного состояния. Таким образом, ускорение можно определить по формуле а = х (k/m), причём параметр в скобках определяется конструкцией датчика. Ось чувствительности датчика лежит в плоскости поликремниевой плёнки, параллельной печатной плате, на которой установлена микросхема в металлическом корпусе ТО-100 (см. рис. 6).
Соединённые параллельно обкладки конденсаторов датчика с общими ёмкостями CS1 и CS2 подключаются к электронным узлам на кристалле микросхемы. Перемещение подвижной инерционной балки при изменении скорости перемещения всей микросхемы вдоль оси чувствительности приводит к неодинаковому изменению ёмкостей CS1 и CS2. На неподвижные обкладки конденсаторов подаются противофазные импульсные сигналы одинаковой амплитуды от местного генератора (меандр с частотой 1 МГц). При движении с постоянной скоростью или в неподвижном состоянии микросхемы суммарный сигнал на подвижной части датчика, соединённого с входом усилителя, практически отсутствует. При возникновении ускорения вдоль оси чувствительности датчика появляется разностный сигнал прямоугольный формы, амплитуда которого зависит от величины смещения инерциальной балки, а фаза определяется направлением ускорения (вперёд или назад). Сигнал с выхода усилителя подаётся на фазочувствительный демодулятор, преобразующий его в низкочастотный с полосой 0–10 кГц (конкретная полоса пропускания определяется внешними элементами).
Для уменьшения влияния температуры окружающей среды, временны¢х изменений параметров схемы и нелинейности переходной характеристики на точность измерений, в схему введена отрицательная обратная связь (ООС) по положению инерциальной балки. Для реализации ООС напряжение с выхода предусилителя через резистор сопротивлением 3 МОм подаётся на подвижную часть конденсаторной системы. Это напряжение создаёт электростатические силы, стремящиеся установить инерциальную балку в исходное состояние. При заданных параметрах внешних и внутренних элементов и в отсутствие ускорения ООС не позволяет балке сдвигаться на расстояние более чем 0,01 мкм от исходного. При отсутствии ускорения напряжение на выходе микросхемы (вывод 9) равно 1,8 В, при полном ускорении ±50 g напряжение изменяется до 1,8 ± 0,95 В, паспортная крутизна изменения выходного напряжения (чувствительность датчика) составляет 19 мВ/g (измеряется по выходу Vpr/вывод 8 микросхемы).
При использовании буферного усилителя диапазон измеряемых ускорений и чувствительность микросхемы задаётся значениями сопротивлений резисторов R1, R2 и R3, которые определяют коэффициент усиления буферного каскада (см. рис. 4). При изменении КУ в пределах 2–10, диапазон измеряемых ускорений лежит в пределах ±50…±10 g, а чувствительность – в пределах 40–200 мВ/g (измеряется по выходу Vout/вывод 9). Подробные данные об особенностях применения микросхемы приведены в статье Билла Ридела (Bill Riedel) [1].
Микросхема ADXL50 стала первым интегральным датчиком ускорения для систем управления подушками безопасности автомобилей, выпускаемых большими тиражами. До его появления на рынке цена множества компонентов и работ по установке подушек безопасности находилась в пределах $400–600 (1990 г.). С применением ADXL50 эта цена снизилась до $50–80. В дальнейшем принцип измерения ускорений с помощью ёмкостного датчика, применённого в ADXL50, использовался практически во всех типах инерциальных датчиков компании.
В 1995 г. компания выпустила на рынок микросхему ADXL05, представляющую собой совместимый по выводам с ADXL50 интегральный датчик ускорения поверхностного типа с диапазоном измерения ±5 g и чувствительностью 200–1000 мВ/g. Микросхема отличается от ADXL50 в 12 раз меньшим уровнем шума (500 мкg/Гц по сравнению с 6,6 мg/Гц в полосе 4 Гц – 1 кГц). Выбираемый пользователями диапазон измерения ускорения составляет ±1…±5 g. Микросхема предназначена для измерения ускорений и уровня вибраций в системах бюджетного класса.
Одноосевой ADXL150 и двухосевой ADXL250 поверхностные акселерометры третьего поколения (торговая марка iMEMS® – Integrated MEMS) были представлены компанией в 1996 г. Приборы характеризуются низким уровнем шума (1 мg/Гц), большим динамическим диапазоном (80 дБ), малым потребляемым током (1,8 мА/канал) и низким дрейфом в промышленном диапазоне температур. Двухосевой акселерометр ADXL250 составлен из двух однотипных каналов, датчики которых расположены под углом 90° друг относительно друга. Для работы микросхем нужен только один внешний компонент – конденсатор фильтра по цепи питания. Чувствительность и диапазон измеряемых ускорений составляют 38 мВ/g и ±50 g.
В 1998 г. ADI выпустила первый в мире коммерческий двухосевой акселерометр ADXL202, на одном кристалле которого интегрированы датчики малых ускорений (до ±2 g), аналоговые схемы усиления и управления с малым потреблением (0,6 мА) и возможностью подключения выходов микросхемы непосредственно к микроконтроллерам общего назначения.
Поскольку размеры и масса поверхностных структур датчиков ускорения рассматриваемого типа чрезвычайно малы, схема измерения должна регистрировать незначительные изменения ёмкостей, а её точность ограничена разрешением схемы считывания. В конструкцию и схемотехнику ADXL202 (а также ADXL210) внесены существенные изменения. Увеличено число единичных элементов поверхностной системы конденсаторов, а их ёмкость увеличена за счёт уменьшения зазоров и увеличения длины подвижных выступов. Увеличена и масса подвижной части системы. Внешний вид дифференциальной конденсаторной системы показан на рисунке 7. Длина подвижных элементов инерциальной массы составляет 125 мкм, зазор между подвижными и неподвижными обкладками конденсаторов – 1,3 мкм, для каждой оси измерения X и Y используется по две конденсаторные секции, которые расположены друг против друга.
В отличие от рассмотренных акселерометров, в данных приборах используется косвенный метод измерения ускорения. На рисунке 8 приведена структура микросхем ADXL202 и ADXL210: выходные сигналы с демодуляторов каналов X и Y поступают на управляющие входы модулятора DCM (DCM – Duty Cycle Modulation, аналогична ШИМ). Коэффициент заполнения D (отношение периода следования к длительности импульсов) на выходах модулятора (выводы 10, 9) пропорционален ускорению, D = 50 % (скважность S = 2) соответствует нулевому ускорению. Величина периода следования импульсов задаётся внешним резистором Rset, подключаемым к выводу 5 микросхемы.
Рассматриваемые акселерометры спо-собны измерять статические и динамические (вибрация) ускорения с разрешением 5 мg в диапазоне до 60 Гц, а также определять углы наклона с точностью ±1 градус. Чувствительность приборов 12,5% D/g (ADXL202) и 4% D/g (ADXL210). Микросхемы выпускаются в керамических корпусах QC-14 размерами 9,9 × 7,3 мм. К основным областям применения микросхем относятся: двухосевые датчики угловых перемещений, компьютерная периферия, инерциальные навигационные приборы, аппаратура для сейсмического мониторинга, системы безопасности автомобилей, датчики движения с батарейным питанием.
В 2002 году компания выпустила первый в мире интегральный микромеханический гироскоп ADXRS150, выполненный по технологии iMEMS. Микросхема представляет собой одноосевой вибрационный датчик угловой скорости с чувствительностью не менее ±150°/с, выполненный в корпусе LCBBGA-32 размерами 7 × 7 мм. В зависимости от положения микросхемы в пространстве, датчик может регистрировать углы поворота вокруг одной из трёх осей: ось рыскания / ось Z / угол поворота (Yaw Axis / Z-Axis / Rate Axis), ось тангажа / ось Y / продольный наклон (Pitch Axis/Y-Axis/Longitudinal Axis), ось крена / ось Х / поперечный наклон (Roll Axis / X-Axis / Lateral Axis) – как показано на рисунке 9. При горизонтальном положении микросхемы регистрируются углы рыскания, что позволяет использовать микросхему в качестве элемента систем навигации в различных устройствах (смартфоны, навигаторы и тому подобное).
Основным чувствительным элементом микросхемы является закреплённая на пружинных подвесах рамка, внутри которой закреплена некоторая инерциальная масса, совершающая колебательные движения (см. рис. 10). Колебания массы (вибрация) совершаются по оси Y, а колебания рамки возможны только по оси Х, рамка снабжена множеством подвижных обкладок конденсаторов (как у описанных акселерометров), а на подложке микросхемы сформированы соответствующие неподвижные обкладки конденсаторов. Общая дифференциальная ёмкость конденсаторов может изменяться как при линейных ускорениях самой микросхемы по оси X, так и при поворотах корпуса микросхемы вокруг оси Z под воздействием ускорения Кориолиса. Для выделения составляющей, вызванной поворотом микросхемы вокруг оси Z, датчик выполнен из двух одинаковых секций, инерциальные массы которых колеблются в противофазе (см. рис. 11). Измерительные сигналы, снимаемые с обеих секций, поступают на дифференциальную схему, которая складывает составляющие, вызванные ускорением Кориолиса, и вычитает синфазные составляющие, вызванные линейными ускорениями.
Структура и типовое включение микросхемы ADXRS150 приведены на рисунке 12. Для возбуждения колебаний инерциальных масс датчиков используются противофазные синусоидальные колебания внутреннего генератора с частотой 14 кГц, на который с генератора подкачки заряда (ГПЗ) поступает напряжение питания +12 В. При изменении линейной скорости колебаний по синусоидальному закону зависимость выходного напряжения микросхемы на выводе 18/RATEOUT от ускорения Кориолиса практически линейная. При вращении корпуса микросхемы по часовой стрелке напряжение на выходе увеличивается от уровня 2,5 В до 4,75 В, и наоборот, при вращении против часовой стрелки уменьшается от 2,5 В до 0,25 В. Подробное описание микросхем ADXRS150/300 приведено в статье, опубликованной в журнале «Analog Dialog» [2].
Первый трёхосевой акселерометр ADXL330 (см. рис. 13) в корпусе LFCSP-16 размерами 4 × 4 × 1,5 мм компания выпустила в 2005 году. Датчик прибора выполнен по той же технологии iMEMS, что и предыдущие продукты, микросхема характеризуется очень малым энергопотреблением и низком напряжением питания (ток потребления 200 мкА при Uпит = 2 В). Прибор позволяет регистрировать ускорения до ±4 g по трём пространственным осям в аналоговом виде. Чувствительность каждого канала составляет 300 мВ/g, выходное напряжение при нулевом ускорении – 1,5 В (Uпит = 3 В), полный размах выходных сигналов – 2,8 В. Основные области применения микросхемы ориентированы на мобильные и портативные приложения с низким напряжением питания: сотовые телефоны, видео- и фотокамеры (стабилизация изображения), игровые устройства, жёсткие диски (защита от ударов), спортивные и оздоровительные приборы. Однако высокая надёжность микросхем (диапазон рабочих температур –55…+125°С, удары до 10 000 g) делает возможным их использование в ответственных приложениях. Например, по данным болгарского исторического сайта Bulgar-Istoria, микросхемы ADXL330 (а также ADXL193, ADIS16120 и ADXRS150/300) предположительно применены в го-ловках наведения оперативно-тактических ракетных комплексов «Ис-кандер-К» [3, 4].
Дальнейшее развитие МЭМС-про-дуктов компании получило в семействе интегральных датчиков движения iSensor®, объединяющих уже описанные ёмкостные интегральные структуры со схемами аналоговой и цифровой обработки сигналов повышенной функциональности. Уже в 2007 г. номенклатура микросхем ADIS16xxx семейства iSensor насчитывала около 20 типов различных интегральных акселерометров и гироскопов с разной цифровой обработкой сигналов.
Во второй части статьи будут рас-смотрены современные МЭМС-продук-ты компании Analog Devices.
Литература
- www.analog.com/library/analogDialogue/archives.html#vol27.
- www.analog.com/library/analogDialogue/archives.html#vol37.
- www.bulgari-istoria-2010.com.
- 9К720 Искандер-SS-26 STONE. www.bulgari-istoria-2010.com/booksBG/9K720%20ISKANDER.pdf. С. 24.
- www.analog.com/ru/index.html.
- Холикулов Э.Х., Султанов К.С., Исмаилов Х.М., Логинов П.В. Составляющие элементы системы мониторинга вибрации и колебаний КНК-270. Горный вестник Узбекистана. 2014. №1. С. 62. www.ngmk.uz/vestnik/vest_archive/2014/56.pdf.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
