MEMS. Wie sind moderne Sensoren angeordnet?

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind GerÀte, die mikroelektronische und mikromechanische Komponenten kombinieren. Heutzutage ist es ziemlich schwierig, Systeme zu finden, die keine Sensoren verwenden, die mit dieser Technologie hergestellt wurden. Aber wie sind moderne Sensoren angeordnet und mit welchen Konvertern arbeiten sie? Wir werden versuchen, dieses Problem anhand der Arbeit moderner MEMS-Beschleunigungsmesser im Detail zu verstehen.





Der einfachste Beschleunigungsmesser, wie funktioniert das?



Ein Beschleunigungsmesser ist ein GerÀt, das die Projektion der scheinbaren Beschleunigung (die Differenz zwischen der tatsÀchlichen Beschleunigung eines Objekts und der Gravitationsbeschleunigung) misst. Wie es funktioniert, kann anhand eines einfachen Modells erklÀrt werden.





Modell des mechanischen Beschleunigungsmessers ( Original ) Mit



zunehmender Beschleunigung wird die Feder durch die Masse gedehnt. Nach dem Hookeschen Gesetz aus dem Lehrplan fĂŒr Schulphysik können Sie die Beschleunigung des Systems leicht feststellen:



a=k⋅ήxm wobei k der ElastizitĂ€tskoeffizient der Feder ist, ÎŽx Ist seine Ausdehnung und m ist die Masse der Last.



Mit drei senkrecht angeordneten Sensoren ist es möglich, die Beschleunigung eines Objekts entlang von 3 Achsen zu ermitteln und die Position des Körpers im Raum zu kennen, wenn man die Anfangsbedingungen kennt.



Dieses einfache Modell ist die Grundlage fĂŒr den Betrieb der meisten Beschleunigungsmesser, die in drei Hauptuntergruppen unterteilt werden können:



  • mechanisch
  • elektronisch
  • piezoelektrisch


Es gibt auch thermische und optische, aber wir werden sie nicht berĂŒcksichtigen. Wenn bei mechanischen alles klar ist (tatsĂ€chlich spiegelt sich ihre Arbeit im Modell von oben wider), ist es bei elektronischen und piezoelektrischen etwas interessanter.



Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser



Diese Art von Sensoren basiert auf dem Piezoeffekt, der 1954 von Smith in Halbleitern wie Germanium und Silizium entdeckt wurde. Diese Entdeckung gab der Entwicklung von Sensoren und Generatoren starke Impulse. Der Effekt ist die Erzeugung von Spannung durch das piezoelektrische Element bei Verformung.





Animation des piezoelektrischen Effekts ( Original )



Mit zunehmender Beschleunigung erhöht / verringert die inerte Masse den Druck auf das piezoelektrische Element. Dank des piezoelektrischen Effekts wird ein Signal erzeugt, das von der externen Beschleunigung abhÀngt.





Piezoelektrisches BeschleunigungsmessergerÀt ( Original )



Sensoren dieses Typs benötigen einen zusĂ€tzlichen VerstĂ€rker, der die Signalamplitude erhöht und einen niederohmigen Ausgang fĂŒr die Arbeit mit externen GerĂ€ten erzeugt. Die Vorspannschraube wird verwendet, um den Nullbeschleunigungswert zu kalibrieren, dessen Masse so berechnet wird, dass sie dem Nullpunkt der Beschleunigung im System entspricht.



Sensoren dieses Typs sind immer noch weit verbreitet und werden hauptsĂ€chlich in Systemen eingesetzt, die eine hohe ZuverlĂ€ssigkeit erfordern - im Automobilbereich. FĂŒr die kommerzielle Elektronik werden hĂ€ufig elektronische Beschleunigungsmesser verwendet, die kleiner und billiger sind.



Elektronische Beschleunigungsmesser



Das Funktionsprinzip elektronischer Sensoren basiert auf einer Änderung der KapazitĂ€t von Kondensatoren mit einer Änderung der Beschleunigung. Das einfachste Arbeitsmodell ist im Bild dargestellt.





Die Vorrichtung eines 2-Achsen-elektromechanischen Beschleunigungsmessers



Wenn sich die Beschleunigung Ă€ndert, Ă€ndert die Masse den Abstand zwischen den Kondensatorplatten. Aus der einfachsten Formel fĂŒr die KapazitĂ€t eines Kondensators C=ΔΔ0Sd Daraus folgt, dass sich auch die KapazitĂ€t des Kondensators Ă€ndert, wenn sich d im Abstand zwischen den Platten Ă€ndert. Diese Methode ist aufgrund der Entwicklung von MEMS - mikroelektromechanischen Systemen weit verbreitet.



MEMS-Technologien ermöglichen die Herstellung von Kondensatoren mit beweglichen Platten auf einem Siliziumsubstrat, wodurch die GrĂ¶ĂŸe des GerĂ€ts und, was nicht unwichtig ist, seine Kosten erheblich reduziert werden.





Das GerÀt eines elektromechanischen 2-Achsen-Beschleunigungsmessers (Original aus dem Buch "Introductory MEMS" . Weitere Abbildungen stammen ebenfalls aus diesem Buch)



Der Leser muss eine Frage haben: "Wie genau kann eine Änderung der KondensatorkapazitĂ€t erfasst werden? Ich werde versuchen, eine erschöpfende Antwort auf diese Frage zu geben.



MEMS-Beschleunigungsmesser. Wie kann man aus einer KapazitÀtsÀnderung ein Signal machen?



Kapazitive HalbbrĂŒcke



Bevor wir also die Funktionsweise des Sensors selbst beschreiben, wenden wir uns einer in der Schaltung recht beliebten Schaltung zu - der kapazitiven HalbbrĂŒcke.



Kapazitive HalbbrĂŒcke - die Basis von MEMS-



Spannungssensoren e1 und e2 eingegeben werden, und e3 - Ausgangssignal fĂŒr die anschließende Umwandlung. Die KapazitĂ€ten beider Kondensatoren hĂ€ngen von der externen Beschleunigung ab und Ă€ndern sich um den Wert x (t). Bei x = 0 sind die Ladungen auf den Containern identisch und gleichzeitig C1=C2=C0 ... Vorausgesetzt, x << d, finden wir heraus, wie die Änderung der KapazitĂ€t der Kondensatoren von der Änderung der Position der Platte abhĂ€ngt.



Ableitung der Formel zur KapazitÀtsÀnderung
Schreiben wir die Änderung jeder KapazitĂ€t auf, wenn die Platte um x verschoben wird:





ΔC1=C1−C0;      Î”C2=−C2+C0      (1.1)







:





ΔC1=ΔSd−x−ΔSd;      Î”C2=−ΔSd+x+ΔSd







, :





ΔC1=ΔSxd2−xd;      Î”C2=ΔSxd2+xd







, x <<d, xd d^2 , :







ΔC(x)=ΔSd2x      (1.2)







Nachdem ein Teil des Pfades passiert wurde, haben wir erfahren, wie der Wert der KapazitĂ€tsĂ€nderung von der Änderung der Position der Platte (dh der externen Beschleunigung) abhĂ€ngt. Es ist Zeit, diese Änderung zu erkennen: Wir fĂŒhren zusĂ€tzliche Ströme ein - i1,i2,i3 ... Nun bleibt zu berechnen, wie der Ausgangsstrom von der Änderung der Position der Platte abhĂ€ngt.





Kapazitive HalbbrĂŒcke - Ströme



Ableitung der Formel fĂŒr die AbhĂ€ngigkeit des Ausgangsstroms von der KapazitĂ€tsĂ€nderung
:





i1+i2=i3







, dq/dt, q=CU, :





i3=ddt[C1(e1−e3)]+ddt[C2(e2−e3)]      (1.3)







e1=e2=es , (1.1):





i3=ddt[(C0+ΔC)(es−e3)]+ddt[(C0−ΔC)(es−e3)]









Wenn Sie also die gleichen Potentiale der Eingangsspannungen verwenden e1=e2=es wir bekommen die AbhÀngigkeit des Stroms:





i3=ddt[2C0(es−e3)]





Das Ergebnis ist ziemlich seltsam: Der Ausgangsstrom hĂ€ngt in keiner Weise von der KapazitĂ€tsĂ€nderung ab. Um eine Änderung der KapazitĂ€t zu erfassen, mĂŒssen an den Platten Spannungen unterschiedlicher PolaritĂ€t eingestellt werden, d. H. e1=es , ein e2=−es ... Dann werden wir die Gleichung unter BerĂŒcksichtigung dieser Modifikation wiederholen.



AbhĂ€ngigkeit des Stroms von der Änderung der Position der Platte unter BerĂŒcksichtigung der unterschiedlichen PolaritĂ€t der Eingangsspannungen
1.3:





i3=ddt[(C0+ΔC)(es−e3)]+ddt[(C0−ΔC)(−es−e3)]







:





i3=2ddt(ΔCes−C0e3)







:





i3=2(esddt(ΔC)+ΔCddt(es)−C0ddt(e3))







1.2 , :







i3=2(esΔSd2x˙+xΔSd2es˙−C0e3˙)     (1.4)







Aus dieser Gleichung sind die folgenden Tatsachen ersichtlich:

  • Wenn sich die Position der Platten nicht zeitlich Ă€ndert, dann x˙=0
  • Ă€hnlich, wenn die Signalquelle es dann konstant (DC) es˙=0


FĂŒr den effektiven Betrieb der kapazitiven HalbbrĂŒcke mĂŒssen variable Eingangssignale e1 und e2 verwendet werden, deren Phasenverschiebung 180 Grad betrĂ€gt (damit die Potentiale unterschiedliche Vorzeichen haben). Daher erhalten wir die folgende Form von Signalen:





e1=+es=+Bsin(ωt)









e2=−es=−Bsin(ωt)





wo ω - die Frequenz des Wechselsignals (bestimmt in der Entwurfsphase in AbhĂ€ngigkeit von der Systembandbreite und dem normalen Betrieb der mechanischen BehĂ€lter).



Wir haben also Gleichung (1.4) erhalten, die zeigt, wie sich eine Änderung der KondensatorkapazitĂ€t auf die Leistung des Systems auswirkt. Ein solches Signal hat jedoch eine recht kleine Amplitude. Außerdem wird das gesamte System zusammenbrechen, wenn wir eine Last daran anschließen, um mit der Außenwelt zu kommunizieren. Hier wird ein VerstĂ€rker benötigt ...



FĂŒgen Sie einfach einen VerstĂ€rker hinzu



FĂŒgen wir unserem System einen VerstĂ€rker hinzu (wir gehen davon aus, dass die VerstĂ€rkung gleich ist ∞ - das Prinzip der virtuellen Erde funktioniert).





Kapazitive HalbbrĂŒcke + Integrator



Nun finden wir die AbhÀngigkeit der Ausgangsspannung des VerstÀrkers von der KapazitÀtsÀnderung.



VerstÀrkerausgangsspannung
:





i4+i5=i3







Cf dq/dt, (1.4) :





2(esΔSd2x˙+xΔSd2es˙−C0e3˙)=ddt[Cf(e4−e3)]+e4−e3Rf     (1.5)







, x, ( ). , , , ( 1 ). :





esx˙+xes˙=x˙Bsinωt+xωBcosωt







, xω≫x˙ :





2ΔSd2xes˙=Cfe4˙







, es e4 :







∣e4es∣=2ΔSCfd2x







Als Ergebnis haben wir die AbhĂ€ngigkeit des VerstĂ€rkerausgangssignals von der Änderung der Position der Kondensatorplatte erhalten. Der aufmerksame Leser sollte sofort bemerken, dass dies eine Amplitudenmodulation ist! In diesem System haben wir tatsĂ€chlich ein Signal x (t), das mit dem Signal multipliziert wird es(t) und verstĂ€rkt um den Betrag 2ΔSCfd2 ... Der nĂ€chste Schritt besteht darin, die TrĂ€gerfrequenz zu entfernen es(t) und wir erhalten ein verstĂ€rktes Signal x (t) - das proportional zur Beschleunigung ist. Ein langer Weg der Datenverarbeitung hat uns dazu gebracht, die Architektur des MEMS-Beschleunigungsmessers zu verstehen.



MEMS-Beschleunigungsmesser-Architektur



Betrachten wir zunÀchst das Funktionsdiagramm des Sensors:





Funktionsdiagramm eines MEMS-Beschleunigungsmessers.



ZunĂ€chst haben wir ein Signal x (t) - das die Änderung der Beschleunigung widerspiegelt. Als nĂ€chstes multiplizieren wir es mit dem TrĂ€gersignal es(t) und mit einem OperationsverstĂ€rker (im Integratormodus) verstĂ€rkt. Als nĂ€chstes erfolgt eine Demodulation - die einfachste Schaltung - eine Diode und ein RC-Filter (in Wirklichkeit wird eine komplizierte Schaltung verwendet, die den Modulations- und Demodulationsprozess mit einer TrĂ€gerfrequenz synchronisiert es(t) ). Anschließend wird das Restrauschen mit einem Tiefpassfilter gefiltert.



Als Beispiel zitiere ich einen der ersten MEMS-Beschleunigungsmesser von Analog Devices - ADXL50:





Blockdiagramm von ADXL50



Wahrscheinlich wĂŒrden viele Leser angesichts des Blockdiagramms des Sensors am Anfang des Artikels den Zweck einiger Blöcke nicht verstehen. Jetzt ist der Schleier angelehnt, und wir können jeden von ihnen diskutieren:



  • Der als „MEMS-Sensor“ bezeichnete Block ist eine kapazitive HalbbrĂŒcke.
  • Der "Oszillator" -Block erzeugt ein Signal mit einer Frequenz von 1 GHz.
  • Das Oszillatorsignal wird auch zur synchronen Demodulation verwendet.
  • , ( VDD/2- , — «»).
  • C1 .
  • , .


?



Die Wahl des Wandlers fĂŒr die Arbeit mit Sensoren hĂ€ngt von der gewĂŒnschten Genauigkeit ab. FĂŒr die Arbeit mit Sensoren eignen sich ADCs mit SAR- oder Delta-Sigma-Architektur mit hoher Bittiefe. Moderne Sensoren verfĂŒgen jedoch ĂŒber eingebaute Wandler. Die MarktfĂŒhrer in dieser Richtung sind STMicroelectronics, Analog Devices und NXP. Als Beispiel können wir eine neue Mikroschaltung mit einem 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und eingebautem ADC - ADXL362 - geben.





Blockdiagramm von ADXL362



Um mit dem ADC zu arbeiten, wurden der Schaltung Anti-Aliasing- Filter hinzugefĂŒgt, um zusĂ€tzliche Harmonische vom Eintritt in das Spektrum auszuschließen.



Woher bekommt man solche Technologie?



Es gibt jetzt viele Fabriken fĂŒr Fabless-Unternehmen, die MEMS-Technologie anbieten. Um moderne Mikroschaltungen zu erzeugen, ist es jedoch erforderlich, KapazitĂ€ten mit beweglichen Platten in eine Standardentwurfsroute zu integrieren, da zusĂ€tzlich zu einer solchen KapazitĂ€t zusĂ€tzliche Blöcke (Generator, Demodulator, OperationsverstĂ€rker usw.) auf einem einzelnen Chip entworfen werden mĂŒssen. Als Beispiel TSMC und XFAB Fabriken bieten modernste Technologie ein MEMS mit dem gesamten Gurtzeug Sensor entlang zu implementieren. Das Bild zeigt die Container, mit denen Sie einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser erstellen können:





Dreiachsige kapazitive HalbbrĂŒcke von TSMC In Russland



gibt es auch eine Fabrik fĂŒr die Herstellung von MEMS-Sensoren, Sovtest. Das Unternehmen verfĂŒgt jedoch nicht ĂŒber die Technologie zur Integration zusĂ€tzlicher Schaltkreisblöcke, die fĂŒr die Erstellung des EndgerĂ€ts erforderlich sind. Der einzige Ausweg ist die Verwendung der Mikromontagetechnologie .





Von Sovtest entwickelter MEMS-Beschleunigungsmesser



Welche Entwicklungen hat unser Unternehmen in diese Richtung?



Wir haben mehrere Wandler, die fĂŒr die Arbeit mit Sensoren ausgelegt sind. Neue Produkte umfassen:



  • 5101NV035 - 16-Kanal-Wandler basierend auf 8 Delta-Sigma ADC, entwickelt fĂŒr die Arbeit mit Stromsensoren
  • 1316NX035 - 4-Kanal-Integrationsspannungs-Frequenzumrichter (VFC) fĂŒr 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und Gyroskope.


Wie ich im vorherigen Artikel geschrieben habe , kann die Wartezeit fĂŒr Wafer aus der Fabrik ziemlich lange dauern. Nach dem ersten Testlauf des 400-MHz-ADC dauerte die Ankunftszeit der Platten und weitere Messungen mehr als ein halbes Jahr. In dieser Zeit gelang es unserem Team, PNC 1316NX035 (eine Entwicklung der vorherigen Schaltung 1316PP1U ) herzustellen , ĂŒber die ich Ihnen ein wenig erzĂ€hlen kann.



Spannungs-Frequenz-Wandler



Um Daten von einem Sensor zu konvertieren, werden normalerweise SAR- oder Delta-Sigma-ADCs verwendet. Es gibt jedoch auch einen anderen Konvertertyp - die Integration von VFCs, die erhebliche Vorteile haben:



  1. Sie nehmen weniger Platz in Anspruch und verbrauchen bei gleicher LinearitÀt und GerÀuschentwicklung weniger.
  2. Einfache Architektur.
  3. Hohe Störfestigkeit gegen Eingangsstörungen und Störsignale.
  4. Störfestigkeit und Interferenz des Ausgangssignals.
  5. Die FĂ€higkeit, Daten ohne Verarbeitung auf einen Funkfrequenz-Kommunikationskanal zu ĂŒbertragen.


Die Mikroschaltung 1316HX035 ist ein vierkanaliger Spannungs-Frequenz-Wandler und ein digitaler Code. Die AusgĂ€nge eines dreiachsigen Beschleunigungsmessers sind mit den drei hochprĂ€zisen HauptkanĂ€len verbunden. Der 4. Kanal verfĂŒgt ĂŒber einen 4-Kanal-Eingangsmultiplexer, an den Sie zusĂ€tzliche Systemsensoren anschließen können: Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. Unter einem Mikroskop sieht die Schaltung folgendermaßen aus:





VFC unter dem Mikroskop



Jeder der drei HauptkanĂ€le wandelt die Eingangsspannung im Bereich von ± 4 V an 3 AusgĂ€ngen in eine Frequenz von bis zu 1250 kHz um, was positiven und negativen Eingangsspannungen entspricht. Außerdem verfĂŒgt die Mikroschaltung in jedem Kanal ĂŒber einen 16-Bit-RĂŒckwĂ€rtszĂ€hler zum ZĂ€hlen von Frequenzimpulsen. Die SPI-Schnittstelle wird verwendet, um die Konvertierungsmodi zu steuern und den Inhalt der KanalimpulszĂ€hler abzutasten. Die Hauptanforderungen fĂŒr die PNC-Parameter waren:



  1. hohe thermische und zeitliche StabilitÀt der Ausgangsfrequenz bei Null-Eingangssignal (geerdete EingÀnge)
  2. dynamischer Konvertierungsbereich - nicht weniger als 22 Bit
  3. KontinuitÀt der Umwandlung des Eingangssignals und UnzulÀssigkeit des Verlustes eines einzelnen Frequenzimpulses.


Um die Anforderungen 1 und 2 zu erfĂŒllen, wird eine analoge Autokalibrierung verwendet , die beim Einschalten der Schaltung automatisch durchgefĂŒhrt wird und jederzeit auf Befehl ĂŒber die SPI-Schnittstelle gestartet werden kann. Anforderung 3 wird durch Schaltungslösungen bereitgestellt und garantiert. Es ist uns gelungen, recht anstĂ€ndige Genauigkeitsparameter zu erreichen: Die typische NichtlinearitĂ€t der Umwandlung betrug 30 ppm, und der Nullpunktversatz betrug weniger als 0,1 Hz bei einem Umrechnungsfaktor von 200 kHz / V. Konvertierungsdynamikbereich: fmax / fmin = 2 * 1,25 MHz / 0,3 Hz ∿ 8,33 M, was mehr als 23 Bit entspricht.



Es gibt nur ein "aber" - bipolare ErnĂ€hrung. Um eine gute NullstabilitĂ€t (Spannung entsprechend 0 g Beschleunigung) zu gewĂ€hrleisten, muss eine bipolare Versorgung verwendet werden. Diese Lösung ist sehr effektiv - schließlich ist das System a priori stabil, wenn 0 g „Masse“ entspricht. Es verbessert auch das Systemdesign. Bei modernen Sensoren wird die HĂ€lfte der Vdd / 2-Versorgung als Null verwendet. Wenn sich die Spannung am Wandler jedoch von der Spannung am Sensor unterscheidet, erhalten wir automatisch einen Offset, der zusĂ€tzlich kalibriert werden muss.



Wahrscheinlich macht die bipolare Spannung fĂŒr viele Verbraucher ein wenig Angst, und wir als Entwickler verstehen dies. Vielleicht werden wir in Zukunft eine kommerzielle Version fĂŒr MEMS erstellen (oder den Sensor in den PNC integrieren). Bisher sind dies natĂŒrlich nur PlĂ€ne, aber ich bin sicher, dass sie das Licht der Welt erblicken werden.



PS Bonusfotos aus dem Beispielforschungsprozess gefunden. Im Allgemeinen ist dies fĂŒr mich der interessanteste Teil des Entwicklungsprozesses. Ihre Idee wird Ihnen in der Hitze der Fabrik ĂŒbergeben, Sie versorgen sie mit Strom und drĂŒcken die Daumen, Sie warten - "Funktioniert es oder nicht?"





PPS Wer das Thema Sensoren mochte, möchte in Zukunft ein Kollege des Hardware-Design-Centers ĂŒber das TrĂ€gheitssystem sprechen, das auf MEMS-Sensoren - SINS - basiert .



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