Микроакселерометры

Микроакселерометры являются одними из наиболее распространенных МЭМС-устройств, без которых немыслимы современные автомобильная и аэрокосмическая индустрии, информационно-измерительная техника и многое другое. Акселерометры используются в качестве датчиков ускорения в системах стабилизации, безопасности, навигации автомобилей и других транспортных средств. Они используются, например, в фотокамерах (в системах оптической стабилизации изображения и определения ориентации кадра), в жестких дисках ноутбуков (в их противоударной системе, заблаговременно паркующей головки при выявлении ускорений, близких к состоянию свободного падения).

Принцип действия простейшего акселерометра иллюстрирует рис. 3.128. Инерционная масса, закрепленная на специальных подвесах из упругого материала (кремния), при наличии ускорения вдоль оси чувствительности будет смещаться, вызывая деформацию подвеса. Деформация будет вызывать изменение сопротивлений тензорезисторов. Эти изменения сопротивлений преобразуется в выходной электрический сигнал акселерометра.

а) б)

Рис. 3.128. Схема простейшего микроакселерометра (а) и его увеличенное изображение (б)

Существуют и другие типы акселерометров, например, использующие конденсаторный метод преобразования смещения инерционной массы в выходной сигнал (рис. 3.129). В них инерционная масса («грузик») связана с одной из обкладок конденсатора. При наличии ускорения происходит изменение расстояния между обкладками, что вызывает изменение емкости конденсатора. Существуют также МЭМС-акселерометры, использующие другие принципы действия, например, акселерометры, использующие пьезоэффект. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа при наличии ускорения возникает давление инерционной массы на пьезокристалл, что вызывает появление на его поверхности зарядов. Имеются также высокочувствительные акселерометры, принцип действия которых основан на анализе отраженного от дифракционной решетки лазерного луча. Дифракционная решетка в таком акселерометре образована перемежающимися зубьями двух зеркальных гребенок, одна из которых жестко связана с подложкой, а другая – с упругим подвесом.

а) б)

Рис. 3.129. МЭМС-акселерометры конденсаторного типа; а) одноосевой; б) трехосевой

Микроэлектромеханические микрофоны

Микроэлектромеханические микрофоны являются одними из наиболее массовых типов МЭМС-устройств. Широкое распространение получили микрофоны, в которых используется конденсаторный принцип действия. Такие микрофоны содержат тонкую гибкую обкладку – мембрану, которая под воздействием изменяющегося давления воздуха прогибается относительно более толстой «неподвижной» обкладки, вызывая соответствующие изменения емкости конденсатора (рис. 3.130а). При постоянном заряде на обкладках конденсатора это приводит к изменениям напряжения, однозначно связанным с амплитудой звуковой волны. Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Такое решение обусловлено тем, что единственным подвижным элементом в системе должна быть только мембрана. Внешний вид микрофона представлен на рис. 3.130б.

а) б)

Рис. 3.130. Схема конденсаторного микроэлектромеханического микрофона (а)

и его увеличенное изображение (б)

МЭМС-микрофоны по сравнению со своими предшественниками – конденсаторными микрофонами, изготовленными по обычной технологии, имеют много достоинств. Они очень компактны (диаметр мембраны менее миллиметра), защищены от электромагнитных и радиопомех, в них в разы снижено энергопотребление. Как и большинство других коммерциализованных МЭМС-устройств, они производятся в рамках тех же технологических процессов и на той же подложке, что и электронные компоненты, предназначенные для преобразования изменения емкости конденсатора в выходной сигнал. Малая инерционность мембраны делает их не только ударопрочными, но и защищенными от обусловливаемых механическими вибрациями шумов. Они, как правило, содержат встроенный предусилитель, АЦП и блок сигма-дельта-модуляции, которые обеспечивают микрофонам плоскую амплитудно-частотную характеристику, высокие чувствительность и отношение сигнал/шум. Все это позволяет использовать МЭМС-микрофоны для построения многомикрофонных систем с изменяемыми диаграммами направленности и улучшенным шумоподавлением.