Инерциальные приборы и МЭМС микросхемы компании Analog Devices для систем автоматики, навигации и автомобильной электроники. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2015

Юрий Петропавловский

Одними из первых продуктов компании Analog Devices (ADI), нашедшими широкое применение в автомобильной электронике, были микроэлектромеханические датчики ускорения (МЭМС акселерометры). Работы в этой области проводились в подразделении MEMS Division of Analog Devices в городе Уилмингтоне (штат Массачусетс) в середине 80-годов группой инженеров под руководством доктора Ричарда Пэйна (Richard Payne). Первым серийным МЭМС продуктом компания был интегральный акселерометр ADXL50, предназначенный для систем активации подушек безопасности автомобилей; его массовое производство началось в 1991 году. ADXL50 стал первым коммерческим акселерометром, получившим признание автопроизводителей, так как его применение позволило значительно уменьшить себестоимость систем активации подушек безопасности и повысить надежность их срабатывания. 

Рисунок 1.	Устройство микросхемы ADXL50.

В ADXL50, как и в большинстве других МЭМС продуктов компании, используются емкостные поверхностные датчики ускорения. Такие датчики детектируют ускорение в плоскости, параллельной поверхности кристаллов микросхем, на которых они установлены. На Рисунке 1а показана микросхема ADXL50 без крышки. В центре кристалла расположен емкостной поверхностный датчик ускорения, показанный крупным планом на Рисунке 1б. Принцип действия емкостных датчиков ускорения, иллюстрируемый приведенной на Рисунке 2 упрощенной схемой устройства акселерометра ADXL50, основан на изменении емкости микроконденсатора, одна из обкладок которого подвижна. Подвижные обкладки конденсаторной системы упруго подвешены на фиксаторах, и при наличии ускорения вдоль оси чувствительности (показана стрелками) емкости элементарных ячеек изменяются. Величина и знак изменений регистрируются электронной схемой, интегрированной на одном кристалле с датчиком. Выходное напряжение микросхемы пропорционально ускорению, а его знак зависит от направления ускорения. В неподвижном горизонтальном состоянии или движении с постоянной скоростью выходное напряжение составляет 1.8 В, при полном ускорении ±50 g выходное напряжение достигает значений 1.8 ± 0.95 В. Подробно устройство и функционирование различных акселерометров компании рассмотрены в статье автора [1].

Рисунок 2.	Принцип действия акселерометра ADXL50.

В 1998 году компания выпустила первый в мире коммерческий двухосевой акселерометр ADXL202 (Рисунок 3) с возможностью непосредственного подключения к микроконтроллерам общего назначения. Эта микросхема отличается высокой чувствительностью (до ±2 g), что позволяет использовать ее в качестве высокоточного инклинометра для измерения малых углов наклона различных платформ, в том числе и автомобилей. В микросхему интегрированы двухосевой емкостной датчик малых ускорений поверхностного типа и аналоговые схемы усиления и формирования выходных сигналов с малым потреблением (0.6 мА). Измерение углов наклона с помощью емкостных датчиков поверхностного типа легко осуществимо, так как любой их поворот вокруг оси чувствительности относительно горизонтали приводит к смещению подвижной массы датчиков под действием силы тяжести.

Рисунок 3.	Микросхема ADXL202.

Акселерометр ADXL202 может быть использован в качестве многофункционального датчика для систем автомобильной сигнализации, реагирующей на наклон, вибрацию и удары. Возможна реализация системы сигнализации на простых микроконтроллерах, например PIC16F84A компании Microchip [2].

Двухосевые акселерометры находят широкое применение в системах стабилизации платформ. Одно из интересных решений реализовано в «балансирующем роботе» (nBot Balancing Robot), показанном на Рисунке 4. От падения эту двухколесную конструкцию в виде «перевернутого маятника» удерживает электропривод колес, управляемый системой балансировки. Для выполнения условий баланса системе необходимы четыре параметра: угол наклона, первая производная скорости его изменения, положение платформы и первая производная ее скорости. Эти четыре параметра суммируются и подаются на систему управления двигателями. Интересные видеоролики, иллюстрирующие функционирование различных nBot роботов, размещены на сайте [3].

Рисунок 4.	Балансирующий робот.

Первые в мире интегральные МЭМС гироскопы ADXR150/300 компания представила в 2002 году; внешний вид ADXRS300 показан на Рисунке 5. В микросхемы интегрированы одноосевые вибрационные датчики угловой скорости с чувствительностью ±150/300 °/с. Датчики могут регистрировать углы поворота микросхемы вокруг собственной оси, проходящей через перпендикуляр к ее основанию. Подробно устройство и работа микросхем также описаны в статье автора [1].

Рисунок 5.	Микросхема ADXRS300.

Акселерометр ADXL202 и гироскоп ADXRS300 нашли оригинальное применение в самобалансирующихся скейтбордах, внешний вид одного из которых показан на Рисунке 6. Для управления движением этого транспортного средства достаточно только перемещения массы тела с одной ноги на другую, при этом обеспечивается управление скоростью и радиусом поворотов. Электроника аппарата выполнена на основе микроконтроллера PIC16F87A и рассматриваемых МЭМС микросхем ADI, питание электродвигателя осуществляется от двух аккумуляторов напряжением 28 В, используемых в электроинструментах. Демонстрационные видеоролики с катанием на этом аппарате размещены на сайте [4].

Рисунок 6.	Самобалансирующийся скейтборд.

В 2005 году компания выпустила первый трехосевой акселерометр ADXL330, отличающийся низким токопотреблением (180 мкА) и напряжением питания от 1.8 В до 3.6 В. Микросхема выполнена в миниатюрном корпусе размерами 4 × 4 × 1.45 мм и не требует внешних компонентов кроме выходных конденсаторов фильтра, от значения которых зависят полосы пропускания каналов X, Y (0.5…1600 Гц) и Z (0.5…550 Гц). Основными сферами применения микросхемы, ориентированной на применение в недорогих приложениях для измерения параметров движения объектов и углов их наклона по трем осям, являются мобильные устройства, игровые системы, устройства защиты жестких дисков, стабилизаторы изображения видеокамер, оборудование и приборы для спорта и здравоохранения. Ряд компаний выпускает небольшие печатные платы с установленными на них микросхемами ADXL330 и операционными усилителями для формирования выходных сигналов с размахами, задаваемыми пользователями. Вариант использования акселерометра совместно с микроконтроллером AVR компании Atmel приведен в статье [5].

Литература

1. Юрий Петропавловский, «Современные МЭМС-продукты компании Analog Devices», Современная электроника, 2015, №6, 7.
2. nnp.ucsd.edu/phy120b/application_notes/an715_Tilt_Sensor.pdf
3. geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot
4. hackedgadgets.com/2007/03/12/5-cool-self-balancing-skateboards/comment-page-1
5. evilmadscientist.com/2007/using-an-adxl330-accelerometer-with-an-avr-microcontroller

Окончание