MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs.
31
MEMS-акселерометры
32
Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах
Вместо смещения обкладок конденсатора, в
акселерометрах основанные на пьезоэффекте,происходит давление грузика на пьезокристалл.
Под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.
Двухосный термальный акслерометр
MEMS-акселерометр – термальный датчик ускорения. В качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек
– тем больше величина ускорения.
33
3.3. Микромеханические гироскопы (ММГ)
Традиционно гироскопы находили применение в антеннах и оптических системах, в устройствах искусственного горизонта и судовых успокоителях качки.
В настоящее время с развитием микроэлектронных технологий стал возможным выпуск миниатюрных вибрационных гироскопов, которые и назвали ММГ.
Современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота.
Гироскоп L3G4200D производства ST Microelectronics используется в |
|
iPhone. Справа фотография с большим увеличением. |
34 |
|
Принцип работы ММГ
Принцип работы ММГ заключается в создании относительно корпуса знакопеременного поступательного либо вращательного движения чувствительного элемента по одной из степеней свободы и измерении перемещений по другой степени свободы, возникающих под действием кориолисовых сил или гироскопических моментов при наличии переносной угловой скорости корпуса.
Принцип работы ММГ с двухстепенным упругим подвесом и поступательными перемещениями ЧЭ.
При наличии знакопеременной относительной линейной скорости V вдоль оси ОХ и переносной измеряемой угловой скорости Ω вокруг оси OZ появляются знакопеременное ускорение Кориолиса Wк и соответствующая ему сила Fк вдоль оси ОY.
35
Основными элементами ММГ являются инерционная масса (ИМ), упругий элемент (УЭ) подвеса, элементы привода, элементы, отвечающие за съем сигнала, и анкер.
ММГ характеризуются определённым набором
классификационных признаков.
1.Количество измерительных осей (однокомпонентный, двухкомпонентный);
2.Количество инерционных масс (одномассовый, многомассовый);
3.Тип подвеса (механический (наружный и внешний) и неконтактный);
4.Наличие кинематических связей;
5.Вид перемещения инерционных масс;
6.Тип привода (обратные преобразователи);
7.Тип датчика съема сигнала (прямые преобразователи).
МЭМС гироскоп ЛК-МЭМС-ГИРО100.
36
3.4. Микромеханические датчики давления (ММДД)
Конструкция ММДД включает в свой состав чувствительный элемент (ЧЭ), воспринимающие давление, и различные преобразователи (перемещения, деформации и силы).
Эти элементы собраны в корпус, конструкция которого представлена широким ассортиментом.
В качестве ЧЭ ММДД выступает тонкая, например кремниевая пластинка (мембрана).
Основными техническими характеристиками ММДД являются:
•рабочий диапазон измерений,
•чувствительность к измеряемому давлению,
•выходное напряжение.
По виду измеряемого давления ММДД делятся на 4 группы:
•абсолютные (измеряют абсолютное давление);
•дифференциальные (измеряют разность давлений);
•относительные (измеряют избыточное давление над
атмосферным давлением);
• вакуумные (измеряют степень разрежения).
37
По принципу действия ММДД разделяются на датчики прямого и компенсационного преобразования.
Датчики прямого измерения (или устройства разомкнутой конфигурации) имеют явно выраженную зависимость от свойств материала мембранного элемента, что требует индивидуальной калибровки и поэтому не очень рентабельны в производстве.
Датчики компенсационного типа является менее зависимыми от свойств материала, так, например, датчик силы (актюатор) невосприимчив к изменению свойств материала.
Датчики давления пьезорезистивного типа.
38
Датчики давления емкостного типа
Для преобразователей перемещений и деформаций |
|
мембранных элементов часто используют полупроводниковые |
|
преобразователи (ПП). Однако они обладают недостатками, |
|
которые существенно зависят от технологии их изготовления. |
|
Так, в ПП мембранных элементах, исполненных по технологии |
|
объемного кремния, из-за наличия p-n переходов ограничен |
|
температурный диапазон использования ММДД (температурой |
|
менее 100°С). |
39 |
Микромеханические зеркала
Микромеханические зеркала включают в «начинку» многоканальных коммутаторов оптоволоконных сетей, цифровых проекторов, телескопов и микроскопов. MEMS- зеркала успешно работают в технологиях создания пикопроекторов. Такие проекторы позволят визуализировать собеседника при разговоре по телефону или фото/видео, проецируя картинку со смартфона на стену, одежду, лист бумаги. Однако существует проблема создания эффективного источника света — энергоэкономичного, но обеспечивающего высокую яркость изображения.
40