Микромеханические системы и элементы

Рис. 1.7. Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента

На рис. 1.9 представлен внешний вид высокопроизводительного 3-осевого емкостного акселерометра.

Рис. 1.9. Внешний вид платы высокопроизводительного 3-осевого емкостного акселерометра

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка – из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату. На рис. 1.10 представлен внешний вид готового корпуса акселерометра.

Рис. 1.10. Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

1.3. Технологии 3D-МЭМС

Понятие «3D-МЭМС» – это инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для относительно легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях. Применяя технологию 3D-МЭМС, можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, к примеру для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

1.3.1. Преимущества технологии «3D-МЭМС»

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:

• использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70 000 g циклов ускорений);

• емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);

• высокий уровень точности и стабильности;

• легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;

• низкая потребляемая мощность;

• высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);

• симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1 %; чувствительность по оси обычно не превышает 3 %);

• возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);

• реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

1.3.2. Принцип действия емкостного акселерометра

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым законом Ньютона. Основные элементы акселерометра – тело, пружина и инерционная масса (ИМ).