Акселерометры для жестких условий эксплуатации от Silicon Designs

Сейчас невозможно представить современную электронику без МЭМС-сенсоров: смартфоны, джойстики, планшеты, видеокамеры, бытовая техника – это лишь незначительная часть устройств, использующих МЭМС. В то же время существуют приложения, в которых применение таких датчиков оказывается ограниченным. Дело в том, что обычные коммерческие МЭМС отличаются ограниченным температурным диапазоном и чувствительны к жестким ударным нагрузкам. Все это мешает их внедрению в авиационной отрасли, в автотракторной технике, в некоторых видах промышленного оборудования. Однако существуют МЭМС-датчики, которые способны работать в самых жестких условиях. В частности, это относится и к акселерометрам от Silicon Designs.

Рис. 1.	Акселерометры от компании Silicon Designs для жестких условий эксплуатации.

В номенклатуре каждого крупного производителя электронных компонентов в обязательном порядке присутствуют специализированные продукты: для нужд автомобильной отрасли (automotive), для военной и авиакосмической техники (military and aerospace), для промышленных систем (industrial). Если ознакомиться с параметрами микросхем, представленных в этих секциях, то окажется, что по большинству характеристик они мало отличаются от своих коммерческих аналогов, однако стоимость их, как правило, на порядок выше. Это связано с тем, что такие компоненты могут работать в очень жестких условиях.

Повышенные и пониженные температуры, высокие ударные нагрузки, значительные кондуктивные помехи, мощные электростатические разряды – все это может легко вывести обычную микросхему из строя. Для перечисленных выше ответственных приложений это недопустимо, поэтому приходится применять специализированные дорогостоящие компоненты. Это касается и МЭМС-датчиков.

Рассмотрим несколько конкретных примеров. Типовые МЭМС-акселерометры для коммерческих приложений работают с ускорениями до единиц g в диапазоне температур -40…+85 °С. Их можно использовать в автомобильных мультимедийных системах, но они не годятся для систем безопасности, управляющих раскрытием подушек безопасности. Аналогичная ситуация складывается в промышленных станках и роботах. Для них также характерны высокие ударные нагрузки и значительные перегревы. Однако все это не повод для отказа от МЭМС. В таких случаях стоит поискать специализированные решения, такие например, как акселерометры от Silicon Designs для жестких условий эксплуатации.

Отличительными чертами акселерометров от Silicon Designs являются:

• широкий диапазон рабочих температур: -55…+125 °C и -55…+175 °C;
• широкий диапазон измеряемых ускорений до ±400 g;
• устойчивость к ударным нагрузкам вплоть до 5000 g;
• низкий уровень шумов от 7 мкg/√Гц;
• два вида корпусных исполнений: LCC (безвыводной) или JLCC (выводной).

Как видно из этого краткого описания, датчики Silicon Designs могут применяться в самых жестких условиях. Сейчас номенклатура компании Silicon Designs включает четыре основных семейства МЭМС-акселерометров (Рис. 2).

Рис. 2.	Внешний вид акселерометров от Silicon Designs.

1410 – МЭМС-акселерометры со счетным выходом для измерения ускорений вплоть до 200 g при температурах -55…+125 °C. Отличаются повыводной совместимостью со старым семейством 1010.

1521 – МЭМС-акселерометры с аналоговым выходом ±4 В для измерения ускорений вплоть до 400 g при температурах -55…+125 °C. Отличаются минимальным уровнем шумов от 7 мкg/√Гц (для моделей 1521J-002). Имеют повыводную совместимость с более старыми семействами 1210 и 1221.

1525 – МЭМС-акселерометры с аналоговым выходом ±4 В для измерения ускорений вплоть до 50 g при температурах -55…+125 °C. Отличаются минимальным уровнем шумов от 12 мкg/√Гц (для моделей 1525J-010) и высокой стабильностью.

1525J – развитие семейства 1525 для малых ускорений. Включает двух представителей 1525J-002 (ускорения до ±2g) и 1525J-005 (ускорения до ±5 g).

1531 – МЭМС-акселерометры с аналоговым выходом ±4 В для измерения ускорений вплоть до 40 g при температурах -55…+175 °C. Отличаются повыводной совместимостью с семейством 1521.

Датчики выпускаются в двух корпусных исполнениях: безвыводном LCC и выводном JLCC. В обоих случаях число контактов составляет 20, габариты около 9×9 мм, положительное направление ускорения перпендикулярно основанию микросхемы (Рис. 3).

Рис. 3.	Корпусные исполнения акселерометров от Silicon Designs.

Семейства акселерометров от Silicon Designs можно разделить на две группы: семейство 1410 с цифровым счетным выходом и семейства 15xx с аналоговым выходом и встроенным датчиком температуры. Рассмотрим эти группы подробнее.

Датчики из семейства 15xx формируют на выходах AOP и AON дифференциальное напряжение ±4 В (Рис. 4). Для нормальной работы сенсора на вход «2.5 V» необходимо подать опорное напряжение 2.5 В. Оно может быть сформировано с помощью простейшего резистивного делителя, подключенного к шине питания 5 В.

Рис. 4.	Схема включения аналоговых акселерометров семейства 1521.

Если датчик покоится или движется без ускорения, то на каждом из выходов AOP и AON присутствует опорное напряжение, а дифференциальный сигнал оказывается равным 0 В. При возникновении положительного ускорения (см. Рис. 3) напряжение на выводе AOP увеличивается, а на выводе AON уменьшается (Рис. 5). Общий размах выходного сигнала может достигать 4 В. Допускается однополярное снятие выходного сигнала с одного из выводов, например AOP (Рис. 5). В таком случае размах также будет около 4 В, однако такое включение не позволит достичь максимальной точности и минимального уровня шумов.

Рис. 5.	Выходные характеристики датчиков семейства 1521.

Еще одной особенностью акселерометров 15xx является наличие встроенного датчика температуры. Точность его невысока, но ее вполне хватает для компенсации температурных погрешностей в процессе эксплуатации. Встроенный датчик формирует выходной ток, пропорциональный температуре. В самом простом случае для его преобразования в напряжение будет достаточно обычного резистора. Если же требуется дополнительно усилить сигнал, например, для приведения к входному диапазону используемого АЦП, то для этих целей можно воспользоваться внешним операционным усилителем (Рис. 6).

Рис. 6.	АСхема подключения встроенного датчика температуры аналоговых акселерометров 1521.

Чувствительность датчика температуры составляет около 1.5 мкА/°C. Если использовать только выходной резистор 2 кОм, то выходной размах напряжения будет +0.76…+1.3 В в диапазоне температур -55..+125 °C, что соответствует чувствительности +3 мВ/°C.

Если используется дополнительный усилитель в соответствии со схемой Рис. 6, то чувствительность может быть выше. Например, при смещении V_OFF = -5 В, R_G = 15 КОм и R_OFF = 7.32 кОм, выходное напряжение будет меняться в диапазоне от 4.5 В до 0.5 В при увеличении температуры от -55 до +125 °C, что соответствует чувствительности 29 мВ/°C. Стоит отметить, что при такой схеме следует контролировать, чтобы выходное напряжение не превышало 3 В, иначе произойдет искажение результатов (Рис. 7).

Рис. 7.	Искажение выходного сигнала датчика температуры.

Семейство датчиков 1410, в отличие от остальных семейств, формирует на выходе счетный сигнал, частота которого пропорциональна приложенному ускорению. При этом системе измерения не требуется АЦП, что может значительно упростить жизнь разработчикам.

Схема включения акселерометров 1410 предполагает использование четырех обязательных линий: входной тактовый сигнал (CLK), пара выходных комплементарных сигналов направления ускорения (DIR), счетный выход (CNT).

Рис. 8.	Схема включения акселерометров со счетным выходом семейства 1410.

Алгоритм получения результатов измерений в такой схеме достаточно прост. Внешний микроконтроллер формирует опорный тактовый сигнал CLK частотой до 1900 Гц. По значению пары сигналов DIR контроллер может определить направление ускорения. На выходе CNT присутствует сигнал, частота которого пропорциональна ускорению. Преобразование частоты выходного сигнала в ускорение производится по следующей формуле:

Gизм = Gном (Fcnt/Fclk – ½),

где Gном – номинальное значение ускорения для данной модели датчика, например, 2g для 1410J-002.

Выходной сигнал CNT использует форму кодирования с возвратом к нулю, это значит, что в начале каждого нового такта сигнал сбрасывается в 0 (Рис. 9).

Рис. 9.	Выходные сигналы акселерометров семейства 1410.

Для быстрого изучения особенностей акселерометров от компании Silicon Designs следует использовать отладочные наборы Model EB-L Analog и EB-J Analog (Рис. 10), которые позволяют устанавливать тестируемый датчик в колодку без монтажа на печатную плату.

Рис. 10.	Отладочное наборы Model EB-L Analog и EB-J Analog для акселерометров от Silicon Designs.

Характеристики акселерометров 1410J-200:

• тип датчика: МЭМС;
• тип выхода: счетные импульсы;
• диапазон измеряемых ускорений: ±200 g;
• чувствительность: 0.625 кГц/g;
• рабочая частота: 0…1900 Гц;
• предельная ударная нагрузка: 5000 g;
• максимальный ток потребления: 3 мА (250 кГц);
• напряжение питания: 4.5…5.5 В;
• диапазон рабочих температур: -55…+125 °C;
• максимальный импульсный перегрев: до 175 °C;
• корпус: 20-выводной JLCC 9 × 9 мм.

Характеристики акселерометров 1521L-400:

• тип датчика: МЭМС;
• тип выхода: аналоговый ±4 В;
• диапазон измеряемых ускорений: ±400 g;
• чувствительность: 10 мВ/g;
• полоса пропускания: 0…2000 Гц;
• уровень шума: 400 мкg/√Гц;
• предельная ударная нагрузка: 5000 g;
• выходное сопротивление: 90 Ом;
• максимальный ток потребления: 6 мА (250 кГц);
• напряжение питания: 4.75…5.25 В;
• диапазон рабочих температур: -55…+125 °C;
• корпус: 20-выводной LCC 99 × 9 мм.

Характеристики акселерометров 1525J-050:

• тип датчика: МЭМС;
• тип выхода: аналоговый ±4 В;
• диапазон измеряемых ускорений: ±50 g;
• чувствительность: 80 мВ/g;
• полоса пропускания: 0…900 Гц;
• уровень шума: 50 мкg/√Гц;
• предельная ударная нагрузка: 5000 g;
• выходное сопротивление: 90 Ом;
• максимальный ток потребления: 6 мА (250 кГц);
• напряжение питания: 4.75…5.25 В;
• диапазон рабочих температур: -55…+125 °C;
• корпус: 20-выводной LCC 99 × 9 мм.

Характеристики акселерометров 1531J-400 :

тип датчика: МЭМС;

• тип выхода: аналоговый ±4 В;
• диапазон измеряемых ускорений: ±400 g;
• чувствительность: 10 мВ/g;
• полоса пропускания: 0…2000 Гц;
• уровень шума: 400 мкg/√Гц;
• предельная ударная нагрузка: 5000 g;
• выходное сопротивление: 90 Ом;
• максимальный ток потребления: 6 мА (250 кГц);
• напряжение питания: 4.75…5.25 В;
• диапазон рабочих температур: -55…+175 °C;
• корпус: 20-выводной LCC 99 × 9 мм.

Посмотреть более подробно технические характеристики акселерометров компании Silicon Designs