Учебное пособие 688

УДК 621.317.33

А.И. Литвинова

РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА С АНАЛОГОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — одна из самых перспективных областей современной электроники. Технология микроэлектромеханических систем позволяет с помощью методов, близких к технологии изготовления микросхем, получить в интегрированном процессе системы с электронными, механическими и электрохимическими свойствами и размерами, сопоставимыми с обычными интегральными схемами.

Основными датчиками движения являются акселерометры. Большая популярность МЭМС-акселерометров обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике.

Акселерометры оснащены чувствительным элементом, включающим инерционную массу на упругой подвеске, регулятор ее перемещения и служебную электронику, установленную на одном кристалле.

В настоящее время на рынке существует большой ассортимент цифровых и аналоговых акселерометров. Акселерометры с аналоговым выходом дешевле, но требуют внешние фильтры и ана- лого-цифровой преобразователь. С аналого-цифровыми преобразователями обычно нет проблем, так как они уже присутствуют почти во всех микроконтроллерах, но они обычно не имеют лучшей производительности, а некоторые метрологические характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей вовсе не указаны производителем микроконтроллеров. Аналоговые микроконтроллеры обычно подключаются к аналого-цифровому преобразователю через фильтр низких частот.

МЭМС-акселерометры уступают встроенным акселерометрам и акселерометрам макромеханической группы по своей стабильности во времени и значительной зависимости от температуры. Основным недостатком МЭМС-акселерометров является шум выходного сигнала, что затрудняет их работу.

30

УДК 621.317

Е.В. Логвинова

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МЭМС ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

С увеличением рабочих частот и мощности сигналов использование традиционных коммутационных микроволновых компонентов, таких как диоды PIN и FET, становится проблематичным. Альтернативным решением проблемы может быть использование переключателей МЭМС. За эти годы их технология значительно улучшилась, и теперь они являются довольно надежными компонентами.

Хорошая внутренняя изоляция и низкие внешние вносимые потери, высокая мощность сигнала переключения, низкое энергопотребление, радиационная стойкость и низкая стоимость в условиях массового производства. Проблема, присущая ограниченной надежности этих устройств, была успешно преодолена, и их срок службы уже может достигать миллиарда циклов в режиме горячего переключения.

Высокочастотные микроэлектромеханические переключатели (МЭМС) (ВЧ) - это устройства, которые используют механическое движение для создания короткого замыкания или цепи электрического тока в высокочастотной линии передачи. Переключатели MEMS разработаны с различными приводными механизмами, такими как электростатический, магнитостатический, пьезоэлектрический, тепловой и т. д.

Технология МЭМС ВЧ в отличие от популярных типов датчиков и активаторов МЭМС, например, инерционные датчики не достигли такой же распространенности на массовых рынках. Но эта технология характеризуется сильным ростом. Простейшие радиочастотные устройства МЭМС могут быть объединены на одном чипе в больших количествах и легко интегрированы с электроникой или другими устройствами МЭМС.

31

УДК 681.527

Е.С. Макаренко

РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ

Акселерометр — прибор, измеряющий разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением.

Реализация выходного сигнала и принципа измерения обеспечивается преобразователями перемещении, деформации, сил и электронными компонентами. Чувствительный элемент является основным конструктивным узлом акселерометра.

По виду движений инерционной массы акселерометры делятся на осевые и маятниковые. По принципу измерения акселерометры подразделяют на приборы прямого и компенсационного измерения (преобразования).

Принцип работы основан на изменении емкости конденсаторов при изменении ускорения. При изменении ускорения масса изменяет расстояние между обкладками конденсатора.

Напряжения e1 и e2 являются входными, а e3 – выходной сигнал для последующего преобразования. Емкости обоих конденсаторов изменяются на величину x(t). При x = 0 заряды идентичны. При условии, что x << d, была найдена зависимость изменения емкости конденсаторов от изменения положения обкладки. Следующим шагом была определена зависимость выходных токов от изменения положения обкладки, предварительно добавив их как i1, i2, i3. В таком выражении ток не зависит от изменения емкости, поэтому чтобы детектировать изменения, на обкладках задавались напряжения разной полярности. После этого был добавен усилитель.

Найдем зависимость выходного напряжения от изменения емкости. Далее убираем несущую частоту es(t) и получаем усиленный сигнал x(t). Таким образом была получена схема с усиленным сигналом, который отражает изменение ускорения, далее происходит демодуляция, после чего остатки шума фильтруются, получая на выходе чистый сигнал.

32

УДК 621.317.33

О.К. Мурзамуратов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТРА

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНАЛОГОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

ВСХЕМАХ СЧИТЫВАНИЯ

Акселерометр на основе МЭМС – это один из типов передовых датчиков, которые широко применяются в различных областях, таких как автомобильная и бытовая электроника.

Кремниевые емкостные акселерометры обладают рядом преимуществ, которые делают их очень привлекательными для многих применений. Они обладают высокой чувствительностью, хорошей характеристикой постоянного тока и шума, низким дрейфом, низкой температурной чувствительностью и низкой рассеиваемостью мощности.

Кроме того, дополнительные конденсаторы могут быть интегрированы и использованы в конфигурации обратной связи с замкнутым контуром для восстановления баланса электростатических сил. Несколько различных типов разомкнутого контура конструкции изготавливаются в ITIMS, но существует большая потребность в акселерометре с замкнутым контуром.

Используя метод сигма-дельта, мы можем получить прямой аналоговый выходной сигнал в виде битового потока с модуляцией плотности импульсов, который подходит для обработки, повышает стабильность системы и уменьшает шум квантования за счет увеличения частоты дискретизации модулятора.

В последнее время в СБИС большое внимание уделяется сигмадельта преобразователям в промышленности. Раннее использование сигма-дельта преобразования было ограничено в основном кодировкой голосового диапазона. В настоящее время существует растущий потенциал для сигма-дельта-преобразователей в таких областях, как системы связи, цифровая аудиолента, компакт-диски и датчики МЭМС. Применяя дельта-сигма-модуляцию на МЭМСакселерометрах, можно решить сразу три задачи: получение цифрового выхода с высоким разрешением; обеспечение линейности обратной связи для подавления нелинейностей и вариаций датчиков; и применение управления замкнутым контуром для уменьшения броуновских шумов.

33

УДК 538.975

Р.В. Пожарский

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой одноступенчатый переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300 - 350 К

иТ Солнца около 6000 К их предельный теоретический КПД больше 90 %. Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленных на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально поднять практический КПД 50 % и более (в лабораториях уже достигнут КПД 40 %).

Теоретические исследования и практические разработки в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации этих высоких значений КПД

иопределили основные пути достижения этой цели. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Хочется отметить структуры фотоэлектрических преобразователей с гетеропереходом и структуры металлполупроводник (барьер Шоттки). Последняя структура будет рассмотрена в моей работе, а конкретно частотные характеристики фотоэлектрического преобразования.

1 Время жизни определяется процессами рекомбинации носителей.

2 Спектральный фотоотклик отражает тот факт, что фотоэлектрический преобразователь неодинаково реагирует на излучение с различными длинами волн.

3 Спектральная характеристика обуславливает спектральную область применения устройства и интегральную чувствительность.

34

УДК 621.317

А.И. Сафонов

РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА

ССАМОКАЛИБРОВКОЙ

Всовременном мире акселерометры применяются в большой сфере приложений: робототехника, комплекс энергетических машин, портативная электроника, промышленные установки, бытовая техника, игрушки, медицинские импланты и другое. Распространение акселерометров и других МЭМС-датчиков имеет широкую направленность. Исследования демонстрируют, что российские разработчики пытаются стремительно применять инерционные датчики.

Встроенные функции самокалибровки дают возможность контролировать работоспособность датчика без любых перемещений. При активации функции самокалибровки к датчику прикладывается определенное электростатическое поле, которое имитирует конкретное ускорение. На выходе датчика создаются данные, которые будут отличаться от показаний при отсутствии воздействия.

При выполнении самокалибровки степень выходного сигнала датчика обуславливается алгебраической суммой сигналов, формируемых непосредственным ускорением, действующим на датчик,

иэлектростатическим испытательным воздействием. Процесс самокалибровки включает в себя четыре этапа:

1) включение акселерометра;

2) усреднение пяти выборок перед включением самокалиб-

ровки;

3) усреднение пяти образцов после включения самокалиб-

ровки;

4) вычисление абсолютной разности показаний для каждой оси и контроль того, что она попадает в данную область значений. Наибольшие и наименьшие значения отображены в документации акселерометра.

35

УДК 621.317.33

В.С. Соколов

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В АКСЕЛЕРОМЕТРЕ ПРИ ЕМКОСТНОМ ДЕТЕКТИРОВАНИИ

Акселерометр (так же называемый датчиком инерции) измеряет ускорение. Принципы работы данных датчиков различаются в зависимости от способа получения электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы. Можно выделить множество категорий акселерометров; рассмотрим три наиболее ак-туальные категории: пьезоэлектрические, пьезорезистивные, ем-костные.

Широко распространены емкостные МЕМС-акселерометры – датчики ускорения, принцип работы которых основан на емкостном преобразовании перемещений инерционной массы, находящейся внутри акселерометра. Эти датчики получили большое распростра-нение благодаря тому, что они используются для решения широкого круга задач. Данные устройства позволяют определять ускорение, положение, перемещение и прочие параметры.

Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента с электродами при перемещении инерционной массы, являющейся его частью, под дей-ствием ускорения.

Существует множество методов, позволяющих снизить количество помех, шумов. Одним из таких методов является двойная коррелированная выборка.

Коррелированная двойная выборка – это метод измерения электрических величин, таких как напряжения или токи, который позволяет устранить нежелательное смещение. Часто используется при измерении выходных сигналов датчиков. Выходной сигнал дат-чика измеряется дважды: один раз в известном состоянии и один раз в неизвестном состоянии. Затем значение, измеренное из известного состояния, вычитается из неизвестного состояния, чтобы получить значение с известным отношением к измеряемой физической вели-чине. Обычно используется в операционных усилителях с переклю-чаемыми конденсаторами.

36

УДК 621.317.33

А.Н. Турбина

РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ПРЕРЫВАНИЯ

Микроэлектромеханические системы (MEMS) - это концепция создания электронных компонентов, которая стала популярна в последнее время из-за растущей степени миниатюризации. Сейчас технологии MEMS используются для изготовления различных чипов. Датчики MEMS можно разделить на датчики с различными чувствительными элементами и принципами преобразования физической величины в электрический сигнал, которые определяют внутреннюю структуру системы. Наиболее распространенным датчиком является акселерометр. Это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения на одну или несколько осей, называемых осями чувствительности. Акселерометр содержит подвижную трехмерную структуру, которую можно представить в виде набора конденсаторов переменной емкости, усилителя нагрузки, связанного с мультиплексором, подающим сигнал на вход усилителя, и демультиплексора, излучающего сигналы для АЦП сигма-дельта. После АЦП данные фильтруются и вводятся в регистры хранения. Доступ к данным и управление параметрами акселерометра осуществляется через интерфейс I2C или SPI, а отдельный блок контролирует работу акселерометра и формирование прерываний.

Акселерометр может генерировать два независимых сигнала прерывания для превышения порога или обнаружения свободного падения, а также для изменения положения устройства. Пороговые значения и время срабатывания прерываний могут быть определены пользователем. Акселерометр со стабилизацией прерывания имеет программируемую систему прерывания, которая может генерировать сигнал прерывания на выходе INT. Индикаторы состояния указывают источник прерывания. Источники прерываний можно включать и выключать по отдельности программно.

Основными преимуществами являются простой интерфейс с хост-системой, наличие нескольких режимов работы, настраиваемые условия для генерации сигналов прерывания.

37

УДК 621.317

М.А. Филатов

МЕТОД СТАБИЛИЗАЦИИ ПРЕРЫВАНИЕМ

Большое количество электронных приложений работают с очень малыми входными сигналами. Эти системы требуют сигнальные такты с очень низким напряжением смещения с течением времени и температуры. Со стандартными линейными компонентами, единственный способ добиться этого – использование автокалибровки на уровне системы. Тем не менее, добавление автокалибровки требует более сложного оборудования и программного обеспечения и может замедлить выпуск новых продуктов на рынок. Альтернативой является использование компонентов с малым смещением напряжения и низким дрейфом. Усилители с самым низким смещением напряжения и низким дрейфом – усилители с автоматическим обнулением или, как их ещё называют, стабилизированные прерыванием. Эти усилители достигают высокой точности постоянного тока за счет непрерывной работы механизма калибровки, реализованный на кристалле. При типичном входном напряжении смещении 1 мкВ достигается температурно-зависимый дрейф 20 нВ/oC и долгосрочный дрейф 20 нВ/месяц. Эти усилители удовлетворяют даже самым высоким требованиям точности постоянного тока.

Усилитель с прерыванием выигрывает от высокого общего усиления по постоянному току и низкого основного шума. Коэффициент усиления постоянного тока, являющийся продуктом переменного тока и коэффициента усиления по постоянному току интегратора, легко достигает усиление без обратной связи 160 дБ и снижает ошибку усиления почти до нуля.

Шум основной полосы частот состоит из входного смещения напряжение (также известное как шум постоянного тока), шум 1/f и низкочастотный белый шум. Смещение и дрейф на каскаде выходного интегратора обнуляются. Дрейфы постоянного тока в каскаде переменного тока также не имеют значения, потому что они изолированы от остальной части усилителя.

38

УДК 538.975

А.В. Сидоров

РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ СХЕМЫ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКСИДА АЗОТА

Всвязи с поставленной задачей на основе разработок итальянских учёных было разработано устройство, которое определяет степень заболевания бронхиальной астмой.

Для работы газоанализатора мы использовали литиевый аккумулятор емкостью 3000 мА·ч с платой контроля заряда, которая служит для стабильной работы и зашиты аккумулятора от перегрева

иглубокого разряда. Для подачи напряжения на плату повышающего напряжения, плату датчика и отладочную плату мы используем плату питания с индикатором заряда.

Вгазоанализаторе были использованы два датчика серии MQ. Первый датчик измеряет уровень паров спирта в воздухе, он нужен первоначально этапа разработки устройства, а как же отработки программного кода отладочной платы. Второй датчик используется для непосредственной работы устройства с углекислым газом.

Для работы отладочной платы Arduino mega 2560 и измерительной части датчика необходимо напряжение 4,2 В, а на подогрев подложки с датчиком необходимо подавать напряжение 7 В для его корректной работы. Вследствие этого мы используем плату повышающего преобразователя MP-7022 с сегментным индикатором для контроля напряжения и тока. На данной плате присутствует подстрочный резистор для корректировки выходного напряжения, что позволят выставить напряжение для более точной работы подогрева подложки датчика.

Для вывода информации, полученной с датчика, мы используем OLED i2c дисплей 128х64 пикселя. На нем отображается информация о времени загрузки прибора и уровень паров спирта или углекислоты в ППМ.

39