Датчики ускорения

Полупроводниковые акселерометры (или датчики ускорения) содержат емкостной чувствительный элемент и интегрированную на кристалле измерительную цепь, выполненную по КМОП-технологии.

Емкостной чувствительный элемент (G-cell) является герметичным. Он представляет собой механическую структуру, выполненную при помощи полупроводникового процесса из поликремния. Дифференциальный чувствительный элемент имеет верхнюю и нижнюю неподвижные пластины и центральную пластину, закрепленную при помощи упругих элементов. Центральная пластина обладает сейсмомассой и может смещаться под воздействием ускорения. Четвертая пластина в составе чувствительного элемента предназначена для самотестирования целостности механической и электрической частей датчика.

Встроенная измерительная цепь выполнена на переключающихся конденсаторах и содержит интегратор, усилитель, фильтр низких частот (ФНЧ), устройство температурной компенсации, тактовый генератор (рис. 6.6).

Когда подвижная пластина занимает центральное положение, выходной сигнал равен половине напряжения питания. Измерительная цепь имеет логометрическую структуру, так что начальное смещение и чувствительность датчика линейным образом связаны с питающим напряжением.

Рис. 6.6. Функциональная схема датчика ускорения:

G-cell – емкостной чувствительный элемент: Self-test – тест CMOS; CMOS Control ASIC – КМОП-схема нормализации сигнала; Vs – значение напряжения на пластине

Для того, чтобы воспользоваться функцией самотестирования датчика, необходимо подать высокий логический уровень на вход "Self-test", т.е. тест CMOS, который делает программатор. Тогда блок тестирования прикладывает калиброванный потенциал к тестирующей пластине. Электрическое поле при этом смещает центральную пластину на заданную величину, и в случае исправности на выходе датчика появляется сигнал заданного уровня.

В зависимости от ориентации чувствительного элемента относительно корпуса, датчики ускорения могут в качестве рабочей оси иметь ось Y, ось X или они могут быть чувствительными по двум осям XY (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Рабочие оси датчика ускорения

Кроме использования в качестве измерителей собственно ускорения и вибраций, акселерометры применяются также для определения абсолютного угла наклона. Если датчик ускорения расположен так, что его ось чувствительности перпендикулярна к поверхности земли, выходной сигнал соответствует ускорению свободного падения. При изменении угла наклона выходной сигнал уменьшается в соответствии с U~g • cos α, где α – угол между осью чувствительности датчика и абсолютным вертикальным положением.

Из табл. 6.3 видно, что, например, Моторола предлагает акселерометры для измерения ускорений от 1,5 до 250 г, с полосой пропускания до 400 Гц, требующих напряжения питания 5 В и выпускаемых в корпусах DIP, SOIC или в корпусе с односторонним расположением выводов Wingback.

Таблица 6.3

Датчики ускорения Моторола семейства ММА

Тип датчика	Рабочий диапазон, г	Чувствительность, мВ/г	Ось чувствительности	Полоса пропускания, Гц	Нелинейность, %	Шум, мВ	Корпус
MMA1260D	±1,5	1200	Z	400	±1	5	SOIC
MMA1270D	±2,5	750	Z	400	±1	3,5	SOIC
MMA1250D	±5	400	Z	400	±1	2,0	SOIC
MMA1220D	±8	250	Z	400	-1...+3	6,0	SOIC
ММА1201Р	+40	50	Z	400	±1	3,5	DIP
MMA2200W	±40	50	X	400	±1	3,5	Wing- back
ΜΜΛ2201 Г)	±40	50	X	400	±1	2,8	SOIC
MMA3201D	±40	50	X, Y	400	±1	2,8	SOIC
MMA2202D	±50	40	X	400	±1	2,8	SOIC
MMA1200D	±250	8	Z	400	±2	2,8	SOIC

Датчики ускорения широко применяются в автомобильной электронике для измерения ускорения автомобиля в различных направлениях, для измерения вибраций и контроля состояния шасси, в антиблокировочных системах (АБС), в системах защиты от опрокидывания и в противоугонных устройствах.

Также акселерометры находят применение в системах контроля состояния механических несущих, в системах регистрации ударов и вибраций, в спортивных диагностирующих приборах, в ударных выключателях.