Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл. 1. На рис. 1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена–качество».
Рис. 1. Диаграмма «цена–качество» для различных типов акселерометров
Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.
Таблица 1. Сравнительные характеристики акселерометров
Пленочные пьезоэлектрические акселерометры
Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия , и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения — схемы управления надувными подушками безопасности.
Объемные интегральные акселерометры
Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor [1], предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом (рис. 2). Тремя тонкими кремниевыми балками c, d и e, имеющимися в пластине 1, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой b на пластине 2. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края (точки f на рис. 2). Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки c, d, e и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.
Рис. 2. Интегральный акселерометр объемной конструкции
Поскольку к надежности системы управления надувными подушками безопасности предъявляются чрезвычайные требования (представьте себе последствия ложного срабатывания подушки безопасности на оживленной автостраде при скорости 150 км/час), датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины 1, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомобиля с препятствием.
Рис. 3. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения
Микросхема датчика не содержит схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика отличаются тем, что NAC-203 содержит встроенные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную подстройку чувствительности и температурной коррекции в процессе производства, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота приборов, смонтированных в полном соответствии с рекомендациями изготовителя, — не менее 10 кГц.
Рис. 4. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50
Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию [2]. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом — схема обработки сигнала.
Поверхностные интегральные акселерометры
Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г. [3]
Рис. 5
Весь кристалл акселерометра размером 3,05 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1ґ1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.
На рис. 3 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в исходное положение. Говоря другими словами, сила инерции при воздействии ускорения
F = ma
уравновешивается силой упругости пружины
F = kx,
где m — масса, a — ускорение, k — жесткость пружины, x — перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m — конструктивный параметр датчика.
Поскольку перемещение инерционной массы должно происходить в плоскости поликремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в этой плоскости, и, следовательно, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик.
 |
 |
Каждый из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически соединен параллельно внутри схемного кристалла. В результате получается пара независимых конденсаторов X—Y и X—Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены ко встроенным схемам формирования сигнала акселерометра. В спокойном состоянии (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одинаковом расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При каком-либо ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В результате этого относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяются.
Хотя в ИМС акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки Y и Z (рис. 4). Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.
Фазочувствительный демодулятор преобразует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на внешний вывод ИМС.
 |
 |
Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подается на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.
В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, повысить его экономичность, увеличить размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, снизить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к некоторому реальному ухудшению линейности.
Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подается на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.
Рис. 8. Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы семейства XMMA
В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 % ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.
Для того чтобы снизить требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров прямо от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания. В таком случае его следует включать по логометрической схеме, как это показано на рис. 5. В этой схеме удобно применить АЦП, который использует питающее напряжение в качестве опорного. Следует заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП должен быть буферный усилитель, так как выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.
В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g соответственно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответтвенно. Датчики изготавливаются в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, причем оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5ґ5ґ2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g .
Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) — определение угла наклона относительно горизонта. Это можно использовать в охранных системах автомобилей, для определения местоположения бура при бурении наклонных скважин и др.
Рис. 9. График зависимости разности емкостей конденсаторов из ячейки датчика ускорения от перемещения подвижной пластины
Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведенных к 1 g, от угла его наклона представлены на рис. 6.
Рис. 7, а показывает упрощенную блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер (АЦП не нужен!). Сигнал на выходе каждого канала датчика имеет форму, показанную на рис. 7, б, причем ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:
Обратите внимание, что относительная длительность = 0,5 соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т2 не нужно измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Эта величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET. Недостатком акселерометров с ШИМ-выходом является необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высокой разрешающей способности при широкой полосе пропускания.
Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведем несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем [4].
- Масса инерционного грузика — 0,1 мкг.
- Емкость каждой части дифференциального конденсатора — 0,1 пФ.
- Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости — 20 aФ (10–18 Ф).
- Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы — 0,01 пФ.
- Расстояние между обкладками конденсатора — 1,3 мкм.
- Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора — 0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома!).
Акселерометры семейства XMMA компании Motorola состоят из планарной емкостной ячейки датчика ускорения и КМОП-схемы нормализации сигнала, выполненных в отличие от ранних моделей [2], на одном кристалле. Чувствительный элемент (G-ячейка) занимает большую часть кристалла. Он сформирован из поликристаллического кремния посредством поверхностной микрообработки и состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена пластина, закрепленная на упругом подвесе и способная перемещаться под действием инерционных сил (рис. 8). Когда центральная пластина отклоняется от среднего положения в результате ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластин увеличится на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины уменьшится. Изменение расстояний характеризует ускорение. Ось чувствительности к ускорению направлена перпендикулярно поверхности пластинки кремния (чипа), поэтому датчики, изготавливаемые в DIP-корпусе, измеряют ускорение, направленное нормально к печатной плате. Для того чтобы сделать возможным измерение ускорений, направленных параллельно печатной плате, фирма выпускает эти датчики также и в корпусах SIP, в которых чип расположен перпендикулярно печатной плате.
Рис. 10. Блок-схема акселерометра MMAS500G
Пластины G-ячейки формируют два противовключенных конденсатора. При движении датчика с ускорением, направленным перпендикулярно плоскости пластин, подвижная пластина отклонится в направлении, противоположном ускорению, и произойдет перераспределение расстояний между пластинами. Емкости обоих конденсаторов изменятся в соответствии с формулой
C = S / x, (1)
где S — площадь пластин, e — диэлектрическая постоянная и x — расстояние между пластинами. Как видно, эта зависимость нелинейна. На рис. 9 приведен график зависимости разности емкостей этих конденсаторов (С1–С2) от перемещения подвижной пластины. Схемы определения рассогласования емкостей конденсаторов G-ячейки измеряют изменение напряжения на подвижной пластине (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) или заряда на ней (XMMA1000, XMMA2000). Напряжение измеряется электрометрическим усилителем, а заряд — усилителем заряда. Судя по техническим описаниям этих микросхем, представленным фирмой-изготовителем, постоянное ускорение они не воспринимают. На рис. 10 приведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, имеющего диапазон измеряемых ускорений 500 g. Сигнал с выхода электрометрического усилителя поступает на фильтр нижних частот 4-го порядка, а с него — на схему температурной компенсации.
Акселерометры компании Motorola также могут быть использованы в логометрическом включении.
Точность интегральных акселерометров
Статическая точность
Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами так же, как и точность датчиков другого типа, определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурным и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путем калибровки и запоминания калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с использованием силы тяжести.
 |
 |
Использование вибростенда имеет следующие преимущества:
- возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;
- возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;
и недостатки:
- требуется дорогостоящий вибростенд;
- проблема закрепления датчика при калибровке на высоких g.
Преимущества применения силы тяжести для калибровки:
- не требуется дорогостоящее оборудование;
- метод мало чувствителен к погрешности установки датчика;
и недостатки:
- можно применить только для датчиков, восприимчивых к постоянному ускорению;
- нельзя калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.
Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности также может быть скомпенсирован. Для этой цели некоторые модели (например, XMMA1000, ADXL105) снабжаются встроенными датчиками температуры.
Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками (см. рис. 9). При использовании усилителя заряда, как это сделано в XMMA1000, потенциал подвижной пластины постоянен и равен половине напряжения питания, которое мы будем считать равным 2V (см. рис. 8). В этом случае из формулы q = CV с учетом (1) следует, что приращение заряда подвижной обкладки при ее перемещении на расстояние x составит
(2)
Как видно, зависимость приращения заряда от изменения расстояния между пластинами нелинейна. Если в акселерометре применяется усилитель напряжения (электрометрический), то заряд конденсаторов датчика меняться не будет. Тогда приращение напряжения на подвижной пластине будет линейно зависеть от изменения расстояния между пластинами:
По указанным причинам акселерометр XMMA1000 (усилитель заряда) имеет типичную погрешность линейности 1 % от полной шкалы против 0,5 % у MMAS40G (усилитель напряжения). Акселерометры семейства ADXL имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения V1 и V2 с частотой 1 МГц. Поэтому комплексное действующее значение напряжения на средней пластине, согласно методу двух узлов, определяется формулой:
(3)
где — круговая частота возбуждения. С учетом того, что V1 = -V2, а
из (3) получим
(4)
Таким образом, зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Акселерометры семейства ADXL имеют типовую погрешность линейности 0,2 %.
В [4] в качестве еще одного источника погрешности указывается гистерезис (то есть неполная восстанавливаемость) при вибрациях и ударах. В фирменном описании микросхем никаких сведений о гистерезисе нет, но эксперименты по использованию интегральных акселерометров семейства ADXL для определения скоростей и перемещений, проведенные авторами этой статьи, показали, что при наличии вибраций большой амплитуды погрешность, обусловленная, по всей видимости, гистерезисом, может достигать совершенно недопустимых значений. По нашему мнению, этот гистерезис вызван тем, что при значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, может быть неупругой и при уменьшении ускорения инерционная масса либо очень медленно возвращается в исходное состояние (вязкая неупругость), либо не возвращается совсем. На рис. 11 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) от времени акселерометра ADXL150, закрепленного на одном из концов стального стержня длиной 1,5 м, который перемещается с большими ускорениями на расстояние 0,5 м. Вследствие упругости стержня это перемещение сопровождается вибрацией довольно большой амплитуды с частотой приблизительно 300 Гц. График ускорения получен непосредственным считыванием сигнала акселерометра 12-разрядным АЦП с частотой выборки 80 кГц. График скорости является результатом численного интегрирования этих данных методом трапеций. В начале и в конце интервала наблюдения (0–0,9 с) скорость датчика равна нулю. На графике скорости (рис. 11, б), точки которого рассчитаны по данным акселерометра, погрешность конечного значения скорости составила примерно 1,25 м/с при максимальной скорости 3,5 м/с.
 |
 |
На рис. 12 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) того же датчика при близких параметрах движения, но закрепленного на более жесткой конструкции. Движение сопровождалось значительно меньшей продольной вибрацией. Как видно, погрешность определения скорости уменьшилась во много раз.
Поперечная чувствительность
Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.
Шум акселерометров
Шум, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении малых ускорений. Предельное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения ФНЧ на выходе датчика приводит к снижению уровня шума. Это улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, однако вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство XMMA — 4-го порядка, ADXL190 — 2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 имеют выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.
Пример. Микросхема ADXL150 имеет типичное значение спектральной плотности шума 1мg/ Гц в полосе 10–1000 Гц. При включении ФНЧ с частотой среза 100 Гц действующее значение шума на выходе фильтра составит 10 мg, а амплитудное, с вероятностью 0,997, — в пределах 30 мg. Поскольку полная шкала этого датчика составляет 50 g, динамический диапазон равен 20lg(50/0,03) = 64,4 дБ. Это неплохо, но по этому показателю интегральные акселерометры сильно уступают пьезоэлектрическим. Например, пьезоэлектрический акселерометр типа 4371 компании Bruel & Kjaer имеет динамический диапазон 140 дБ [5].
Основной динамической характеристикой акселерометров является полоса пропускания по уровню –3 дБ. В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых типов интегральных датчиков ускорения.
