Проектирование акселерометра

Как известно, перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными величинами, т.к. скорость и ускорение являются производными перемещения.

С помощью простых электрических цепей преобразование ускорения в скорость и скорости в смещение (т.е. интегрирование) может быть осуществлено с высокой точностью. Поэтому датчики ускорения на сегодняшний день являются основными датчиками вибрации: их выходной сигнал можно легко подвергнуть однократному или двухкратному интегрированию и получить либо скорость, либо смещение.

Задачами дипломного проекта являются:

разработка конструкции ячейки датчика ускорения;

разработка технологического процесса сборки и монтажа ячейки датчика ускорения;

Функционально-стоимостной анализ ячейки датчика ускорения;

анализ производственных и экологических опасностей, возникающих в процессе проектирования конструкции ячейки датчика ускорения.

Дипломный проект содержит четыре раздела: конструкторский, технологический, организационно-экономический, раздел производственной и экологической безопасности.

В конструкторском разделе анализируется техническое задание (ТЗ), рассматриваются варианты возможных конструкций датчиков ускорения, производится выбор наиболее приемлемой конструкции, С целью проверки соответствия ТЗ параметров надежности и вибростойкости ячейки проводятся соответствующие расчеты.

В технологическом разделе рассматриваются технологические процессы (ТП) сборки и монтажа ЭУ, разрабатывается оптимальный алгоритм ТП сборки и монтажа ячейки датчика ускорения, проводится расчет на технологичность.

В организационно-экономическом разделе проводится функционально-стоимостной анализ для выявления дисбаланса между значимостями функций датчика ускорения и относительными затратами на них.

В разделе производственной и экологической безопасности анализируются требования охраны и труда, производится расчет параметров необходимого искусственного освещения в машинном классе с персональными компьютерами.

В заключении приводятся результаты проектной деятельности, формулируются выводы.

Раздел 1. Анализ классификации микромеханических датчиков ускорения

1.1 Понятие датчика ускорения (акселерометра)

Акселерометр — это прибор для измерения ускорений или перегрузок. Акселерометры применяется в транспортных машинах и летательных аппаратах, как вибродатчики, в спортивной экипировке (например, для определения скорости и дистанции у бегунов) и даже в современных портативных компьютерах — для позиционирования экрана в зависимости от положения ноутбука или защиты жесткого диска в случае, если пользователь роняет компьютер. Другое название акселерометров — датчики ускорения. В отличие от дистанционных датчиков, акселерометры измеряют свое собственное ускорение. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл.1.1. На рис. 1.1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена-качество».

Рис. 1.1 Диаграмма «цена-качество» для различных типов датчиков ускорения

Таблица 1.1

Сравнительные характеристики датчиков ускорения

Основными элементами конструкции датчика ускорения являются катушка индуктивности и магнит. По характеру анализируемого движения датчики ускорения подразделяются на две большие группы — угловые и линейные.

Поскольку датчик ускорения измеряет ускорение или силу, вызывающую ускорение инерционной массы, физическая модель акселерометра представляет собой инерционную (сейсмическую) массу, подвешенную на пружине, закрепленной в неподвижном корпусе, — простую систему с одной степенью свободы x в направлении измерительной оси (рис. 1.2).

В соответствии с данной моделью в основе классификации датчиков ускорения лежит различие в способах получения электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы (рабочих принципах датчиков).

Рис. 1. 2. Иллюстрация физической модели датчика ускорения: а — конструкция физической модели: 1 — неподвижный корпус; 2 — пружина, закрепленная в корпусе; 3 — груз, подвешенный на пружине, — инерционная масса; б — силы, действующие в модели.

Типы датчиков ускорения

· Пьезоэлектрические

· Пьезорезистивные

· Емкостные

· Тепловые

· Оптические

· Лазерные и др.

1.2 Обзор классификации датчиков ускорения

1.2.1 Датчики ускорения типа ball-in-tube

В эволюции датчиков ускорения значительную роль сыграли датчики линейного ускорения электромеханического типа, рассчитанные преимущественно на работу в составе систем управления надувными подушками безопасности автомобилей (обнаруживающие замедление транспортного средства) — с металлическим шаром в качестве инерционной массы, перемещающимся в трубчатой полости (ball-in-tube sensor) (рис. 1.3)

Рис. 1.3. Типичные конструкции электромеханических и электронных датчиков ускорения с шаром в качестве инерционной массы (ball-in-tube): а — акселерометр с цилиндром и шаром — поршнем: 1 — металлический корпус; 2 — замкнутая стенка; 3 — диск; 4 — непроводящий цилиндр; 5 — внутренняя часть корпуса под посадочное полусферическое место 6; 7 — непроводящий цилиндр; 8 — стенка, примыкающая к диску 3 и объединенная с направляющей осью 9; 10 — смещающая пружина; 11, 12 — отверстия в цилиндрах; 13 — впадина под контакты; 14 — проводящие фиксаторы; 15 — контакты; 16 — терминалы, изолированные от корпуса 1; 17 — батарея; 18 — активирующее устройство; 19 — система защиты пассажиров; 20 — поршень; 21 — зазор; 22 — трубка с внешней бороздкой 23; 24 — плечо; б — датчик ускорения с шаром, смещающим магнитом и контактами (внешний металлический корпус, крепление и проводные выводы не показаны): 1 — цилиндр; 2 — стенка, примыкающая к цилиндру 1; 3 — расширенная часть цилиндра; 4 — внутренний цилиндр; 5 — внутренняя полость; 6 — посадочное место под уплотнительное кольцо 7; 8 — полусферические посадочные места; 9 — металлический рукав; 10 — внутренняя линейная трубчатая полость; 11 — сферическая инерционная масса; 12 — электрический разъем; 13, 14 — контактные площадки; 15, 16 — контакты с зазором 17; 18 — кольцевой магнит; 19, 20 — крепежные отверстия; в — внешний вид контактного датчика ускорения с шаром, смещаемым магнитом; г, д — пружинный датчик ускорения с шаром Breed Automotive Corporation (направление движения инерционной массы показано стрелкой): 1 — трубка — корпус; 2 — цилиндрическая боковая стенка трубки 1; 3, 4 — контакты; 5 — расширение контакта 3; 6 — сферический инерционный элемент (шар); 7, 8 — ребра, ограничивающие движение шара; 9 — верхняя стенка корпуса акселерометра; 10, 11 — проводные соединители; 12 — питающая батарея; 13 — активирующий механизм воздушной подушки; 14 — воздушная подушка; 15 — кабель; 16 — фиксаторы корпуса; е — акселерометр с шаром, смещающим магнитом и датчиком магнитного поля [22]: 1 — корпус; 2 — цилиндрическая часть корпуса; 3 — стенка, примыкающая к цилиндру 2; 4 — электрический разъем; 5 — отверстие в цилиндрической части корпуса; 6 — посадочное место под уплотнение 7; 8, 9 — полусферические посадочные места; 10 — рукав; 11 — внутренняя линейная трубчатая полость; 12 — сферическая инерционная масса; 13 — датчик магнитного поля; 14 — проводные выводы; 15 — материал, изолирующий печатную плату; 16 — магнит; 17 — магнитопровод Наибольшую известность получили электромеханические датчики ускорения двух типов:

· с шаром и смещающим магнитом, локализованным на одном конце трубчатой полости: при значительном замедлении шар катится вперед, преодолевая удерживающее его магнитное поле, и замыкает электрические контакты на другом конце полости, активируя схему датчика.

· с шаром и смещающим пружинным контактным элементом, который при значительном замедлении замыкает второй контакт, толкаемый шаром, по инерции продолжающим двигаться вперед, преодолевая смещение

В более ранних конструкциях смещающее усилие на линейный поршень с инерционной массой создавалось кольцевой пружиной. Другой распространенный вариант (в том числе и для детектирования ускорений при боковых ударах) предполагает использование груза, активирующего рычаг или ротор, преодолевающий сопротивление пружины на пути к точке, где контакты замыкают схему.

Для демпфирования инерционной массы в датчиках электромеханического типа применяется жидкость или газ.

Типичной проблемой, ассоциирующейся с контактными датчиками, смещаемыми магнитом, являются сбои, которые происходят вследствие различной электрохимической активности используемых материалов и покрытий, коррозии, вредного воздействия атмосферы и загрязнений.

Шар изготавливается из проводящего материала и покрывается позолотой для обеспечения надежного электрического контакта. Для датчиков ускорения, смещаемых магнитом, используется материал шара с высокой магнитной проницаемостью. Контакты, основным требованием к которым является гибкость, изготавливаются из таких материалов, как медь и сталь, а также их сплавы [22].

Общая проблема электромеханических датчиков — значительные геометрические размеры, а также невысокая технологичность довольно сложных конструкций и относительно высокая цена. Так, в контактных устройствах, смещаемых магнитом, смещающее усилие должно быть значительным, а магнитное поле — сильным, соответственно, и магнит должен быть относительно крупным и сильным.

Устройства на основе смещающих пружинных контактов, подобные [23], позволяют исключить магнит из конструкции, одновременно устраняя необходимость дорогостоящего золотого покрытия инерционного элемента из проводящего материала. При этом пружинный элемент может служить и элементом электрического контактирования, сокращая тем самым число физических элементов, осуществляющих контакт.

Электромеханические датчики контактного типа были широко распространены в автомобилях, чье время выпуска соотносится с датой публикации патентов, и затем эволюционировали в бесконтактные конструкции с датчиком магнитного поля, детектирующим перемещение смещенного шара или постоянного магнита, который также может служить инерционной массой. Типичный датчик магнитного поля в бесконтактных конструкциях представляет собой датчик Виганда, Холла или магниторезистор.

В отличие от электромеханических переключателей датчик магнитного поля может вырабатывать как переключаемый при переходе сигнала уровней выше или ниже определенного порога цифровой сигнал, так и аналоговый сигнал, который может анализироваться внешней электронной схемой, извлекающей информацию об ударе из величины, наклона и длительности сигнала.

Как известно из многих источников, системы управления подушками безопасности подразделяются на одноточечные (single-point system), с местоположением датчика ускорения (и других датчиков) в одном месте внутри диагностического модуля близ пассажирских мест, и многоточечные, или мультисенсорные, системы с дистанционным расположением нескольких датчиков (multi-point system). Современные автомобильные системы стремятся к одноточечным исполнениям, отличающимся низкой системной ценой и возможностью детектирования с наибольшей точностью ускорений, воздействующих на пассажиров. Поскольку одноточечная система удалена от места удара, датчик ускорения в ней должен заранее «предсказывать» столкновение и в случае удара активировать системы защиты в различное время: вначале — системы ограничения перемещений (ремни), затем — систему развертывания подушек, или деактивировать при незначительном ударе.

Данные функции вполне позволяет реализовать именно одноточечный аналоговый или ШИМ-акселерометр, в то время как в мультисенсорной системе для решения тех же задач может потребоваться до пяти цифровых (контактных или бесконтактных) датчиков.

Следует также отметить, что электронные датчики типа ball-in-tube отличаются относительно низкочастотной рабочей характеристикой, исключающей необходимость фильтрации сигнала (в отличие от актуальных базовых типов современных датчиков ускорения, рассмотренных далее, — пьезоэлектрических, пьезорезистивных и емкостных).

Датчики ускорения типа ball-in-tube широко использовались в иностранных автомобилях прошлых лет, но в настоящее время основная ниша их спроса — детектирование аварий — заполнена малыми и недорогими емкостными датчиками ускорения.

Популярные за рубежом датчики ускорения ball-in-tube практически не находили применения в отечественной автоэлектронике, для разработчиков которой особенно важно знание актуальных тенденций и понимание перспективных рабочих принципов.

Другими словами, в XXI веке, когда стало возможным осуществлять микроперемещение миниатюрного шарика инерционной массы внутри интегральной схемы, уже не стоит тратить время и деньги на разработку новых изделий для автоэлектроники с инерционным макроэлементом в виде подвижного шара или магнита.

Cегодня наиболее актуальны три категории датчиков ускорения:

· пьезоэлектрические;

· пьезорезистивные;

· емкостные.

Пьезоэлектрические датчики ускорения — класс устройств, наиболее популярный в недалеком прошлом, актуальный и сегодня. Емкостные датчики — наиболее массовая категория среди современных МЭМС — устройств. Некоторые другие технологии тоже могут эффективно использоваться для производства датчиков ускорения, например магнитостриктивные или эффекта Холла.

Датчики ускорения также классифицируются по величине (диапазону) измеряемого ими ускорения, что является решающим фактором при выборе подходящего датчика для конкретной задачи. Выделяются датчики ускорения для измерения малых ускорений ±(1…20)g (Low-g) и High-g, детектирующие ускорения ±(20…250g) и выше. Другие классификационные признаки включают число измерительных осей, тип выхода, частотную полосу и т. д.

1.2.2 Пьезоэлектрические датчики ускорения

Принцип работы датчиков основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте: когда пьезоэлектрический кварцевый кристалл или поляризованный пьезокерамический образец (далее — пьезоэлемент) подвергается действию внешней силы F, вследствие смещения кристаллической решетки на противоположных поверхностях материала аккумулируется электрический заряд, прямо пропорциональный величине приложенного воздействия.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется явление электрической поляризации пьезоэлемента при механическом воздействии; пьезоэлемент вырабатывает электрический заряд, пропорциональный инерционной силе. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в деформировании материалов, помещенных в электрическое поле.

Пьезоэлектрические датчики используются для измерения силы, давления, деформации (механического напряжения) и ускорения.

Пьезоэлектрический эффект линейный, но направление поляризации пьезоэлемента зависит от направления воздействующей силы. Различают продольные, поперечные и работающие на сдвиг пьезоэлектрические элементы (рис. 1.4а-в).

Рис. 1.4. Иллюстрации физических принципов пьезоэлектрических датчиков ускорения: а-в — иллюстрации зависимости поляризации пьезоэлемента от направления действующей силы F: а — продольная поляризация; F1, F2 — поперечные воздействующие силы; б — поперечная поляризация; F1, F2 — вертикальные силы; в — поляризация при сдвиге; F1, F2 — силы сдвига одной поляризуемой поверхности пьезоэлемента относительно другой; г — типичная рабочая частотная характеристика пьезоэлектрического датчика ускорения; д — эквивалентная схема пьезоэлектрического датчика ускорения с высоким импедансом; е — схема устройства с низким импедансом: Q — пьезоэлектрический (кварцевый) элемент; C_Q — емкость ПЕ-элемента; C_К — емкость соединений и кабеля; RИ — сопротивление изоляции (выходное); U — выходное напряжение; ж — датчик ускорения, работающий на сдвиг: 1 — корпус датчика (верхняя часть условно не показана); 2 — пьезоэлектрические элементы; 3 — инерционная масса; 4 — компрессионное кольцо; 5, 6 — физически изолированные электроды для снятия положительного и отрицательного заряда, соответственно; 7, 8 — условное изображение проводных выводов зарядового сигнала.

В зависимости от конструкции и назначения датчика, оптимизированного и откалиброванного таким образом, чтобы получить при данном детектируемом воздействии максимальный заряд — выходной сигнал, сила F выполняет сжатие (растяжение), сдвиг или изгиб пьезоэлемента.

Типичная зарядовая чувствительность пьезоэлектрического акселерометра варьируется в диапазоне 0,5−1000 pC/g.

Природные кристаллы кварца являются одним из наилучших материалов для пьезоэлектрических сенсорных элементов. Кварц обладает способностью работы при температурах выше 300 °C, однородной чувствительностью в температурном диапазоне, высокой прочностью, линейностью эффекта, отсутствием гистерезиса при воздействиях различного рода, высоким выходным сопротивлением порядка 1014 Ом, допускающим работу при частотах менее 1 Гц (поясняется далее).

Кварцевые пьезоэлектрические (ПЕ) элементы представляют собой одиночные пластины или конфигурации, набранные из тонких пластин, соединенных в стеки.

Недорогой альтернативой кварцу являются пьезокерамические сенсорные элементы, которые производят компании, владеющие технологиями и специализированным оборудованием.

Среди других материалов, пригодных для создания пьезоэлектрических элементов, выделяются пьезоэлектрические полимерные пленки. Известны пленочные полимерные пьезоэлектрические датчики ускорения на их основе. Устройства данного типа недорогие, но их коммерциализация (включая области задач автоэлектроники) ограничена серьезными недостатками — низкой точностью, значительным разбросом характеристик, высокой чувствительностью к изменению температуры и давления.

ПЕ-датчики представляют собой активные устройства, что подразумевает получение электрического выхода только при значительном изменении нагрузки — переменного ускорения (динамический режим работы). Это означает следующее: в отличие от датчика, модель которого показана на рис. 1.4, ПЕ — датчики не могут измерять статическое или так называемое DC-ускорение (включая возникающие под действием гравитационных сил), но в паре с формирователями сигнала кварцевые преобразователи способны выполнять квазистатические измерения. Типичное значение нижней частоты среза ПЕ — датчика — 1−2 Гц.

Изменения нагрузки происходят в течение промежутков времени порядка нескольких минут или часов.

В ПЕ — датчике ускоренная инерционная масса прикладывает силу F = ma к пьезоэлектрическому элементу (кварцевому кристаллическому или биморфному упругому элементу), вызывая его деформацию, которая обеспечивает достаточный динамический сигнал (рис. 1.4). Поверхностный зарядовый сигнал, прямо пропорциональный силе F, снимается с электродов и усиливается усилителем заряда.

Двухслойные пьезокерамические элементы, способные выполнять функции компонента или узла.

Пьезоэлектрические датчики ускорения способны выполнять динамические измерения ускорений в диапазоне 10-⁴-10⁴g и выше, поэтому применение ПЕ-датчиков сконцентрировано в системах автоэлектроники с максимально высокими детектируемыми уровнями g (включая удары и вибрацию): в системах пассивной безопасности автомобиля для управления развертыванием фронтальных и боковых подушек безопасности и функционированием аварийных натяжителей ремней (максимальные детектируемые при авариях уровни ускорений 35−50 g), штанг против опрокидывания (4 g), электронного оснащения крэш-тестов, контроля детонации (до 400 g).

Полезный верхний частотный предел определяется резонансной частотой датчика, находящейся в килогерцевом диапазоне.

В зависимости от рабочей частотной области различают ПЕ — датчики нерезонансного типа (функционирующие в пределах плоского участка кривой, показанной на рис. 1.4г) и резонансного типа (рабочий участок частотной характеристики находится в диапазоне эффективных частот, близких к резонансной частоте; детектируется изменение в резонансной частоте под действием ускорения.

Три наиболее распространенных типа конфигураций ПЕ — датчиков — сдвиг, изгиб и сжатие — описаны в (включая другие варианты) и проиллюстрированы на рис. 1. 4 -5.

Рис. 1.5. Примеры пьезоэлектрических датчиков ускорения для электроники: а, б — принцип работы биморфного пьезоэлектрического датчика, работающего на изгиб (концепция Bosch для аварийных натяжителей ремней и датчика неровности дороги [23]): а — в состоянии покоя; б — под действием ускорения: 1 — пьезокерамический биморфный упругий элемент, работающий на изгиб («measuring beam»); 2 — слои с антипараллельным (противоположным) направлением поляризации; а — ускорение; в, г — пьезоэлектрический датчик вибрации двигателя Bosch — пример продольного акселерометра [49]: в — конструкция датчика: 1 — инерционная масса, создающая силу сжатия F; 2 — корпус; 3 — пьезокерамический элемент; 4 — резьбовая основа; 5 — контакт (электрод); 6 — контакт (электрический разъем); 7 — блок двигателя; V — вибрация; г — рабочая характеристика датчика (чувствительность) как функция частоты f; д — датчик детонации Siemens Automotive: 1 — цилиндрический корпус; 2 — пьезоэлектрический материал; 3 — инерционная масса; 4 — электроды; 5 — радиальная выпуклость; X — ось перемещения сейсмической массы; P_ — плоскость, положение которой в данном устройстве регулируется; е — датчик Matsushita: 1 — цилиндрический корпус датчика; 2 — колебательная пластина — подложка (плата); 3 — пьезоэлектрический (керамический) элемент; 4, 5 — электроды; 6 — металлическое основание; 7 — периферийные точки металлического основания; 8 — центральное отверстие металлического основания; 9 — верхняя часть корпуса датчика; 10 — соединительные терминалы для соединения металлического основания и верхней части; 11 — цилиндрический воздушный зазор; 12 — электрические терминалы датчика; 13 — печатная плата датчика; 14 — медный участок платы; 15 — контактирующая часть (стержень); 16 — упругое кольцо; 17 — обжимка корпуса датчика (часть корпуса 1)

Компрессионные датчики ускорения на основе конфигурации «сжатие» (рис. 1. 5в-д) представляют собой наиболее простые, технологичные структуры с высокой прочностью и износоустойчивостью. Датчики ускорения этого типа способны противостоять ударам с высокими уровнями g, но из-за близкого контакта считывающих кристаллов с основанием чувствительны к механическому напряжению на корпусе. Также очевидно, что наиболее эффективный способ повышения чувствительности компрессионного датчика — увеличение инерционной массы, но это не всегда желательно.

Вышеописанные базовые конфигурации допускают размещение встроенной обрабатывающей электроники, обеспечивают в итоге малый размер и вес датчиков (включая устройства, показанные на рис. 1. 4).

Таким образом, достоинствами пьезодатчиков являются:

· способность детектирования высоких уровней g;

· высокий динамический диапазон;

· широкая частотная полоса срабатывания <1 Гц — 20 кГц;

· однородная чувствительность в частотном диапазоне;

· прочность;

· точность;

· малый размер и вес.

Недостатки:

· как упоминалось выше, ПЕ — датчики не могут измерять статическое ускорение;

· устройства требуют калибровки (микроконтроллерной обработки);

· схемотехника и конструкции относительно сложные;

· электроника, встраиваемая в корпус датчика, не интегрирована с чувствительным элементом.

Можно предположить, что дальнейшее развитие пьезоэлектрических устройств в значительной степени будет связано с разработкой на их основе перспективных технологических МЭМС-решений (один из примеров запатентован), существующих для альтернативных пьезорезистивных и емкостных устройств.

1.2.3 Пьезорезистивные датчики ускорения

Пьезорезистивный датчик ускорения для детектирования ускорения использует изгибаемые диффузионные кремниевые резисторы (или измерители механического напряжения, известные как strain gauges, или strain gages), присоединенные к одной или более микромеханическим кремниевым консольным балкам, поддерживающим инерционную массу. Ускорение инерционной массы вызывает изгиб балок и изменяет сопротивление резисторов, создавая разбалансировку моста Уитстона, в схему которого, как правило, включаются измерители напряжения (рис. 1.6), что, в частности, обеспечивает их реагирование на статическое ускорение.

Рис. 1.6. Типичная пьезорезистивная микромеханическая структура (иллюстрация принципа действия): 1 — кремниевая структура с консольными балками, поддерживающими инерционную массу; 2 — поддерживающее основание; 3 — инерционная масса; 4 — изгибаемые кремниевые резисторы (strain gages); 5 — электрическое соединение резисторов (схематическое изображение моста Уитстона); 6 — терминалы МЭМС — структуры (выходы моста).

Процесс изготовления пьезорезистивной структуры основан на технологиях объемной кремниевой микромеханики (формирование объемной механической микроструктуры), с применением туннелированных проводных соединений и методов тонкопленочной металлизации (формирование контактных площадок и электрической взаимосвязи поверхностей в кристалле). Так же, как и ПЕ-датчики, пьезорезистивные структуры допускают мультиосевые исполнения за счет ортогонального размещения колебательных плоскостей или МЭМС-ячеек.

Пьезорезистивные датчики полностью построены на кремнии; высокая жесткость кремния обеспечивает высокую резонансную частоту щ порядка 10 кГц, определяющую рабочую частотную полосу и динамические характеристики (динамический диапазон). К другим достоинствам датчиков относятся большие амплитуды сигнала (порядка 50−100 мВ на выходе схемы обработки мостового сигнала), высокая линейность, малый размер и вес.

Частота среза многих коммерческих датчиков составляет порядка 500 Гц на уровне 3 дБ.

Как упоминалось выше, в отличие от пьезоэлектрических датчиков, пьезорезистивные акселерометры реагируют и на статические ускорения (пьезорезистивные акселерометры — это пассивные устройства), но чувствительны к ударам и механическим воздействиям (легко разрушаются) и температурно чувствительны.

Рабочий температурный диапазон устройств порядка −54…+121 °C.

Технология производства объемных структур разработана для практического создания кремниевых микромеханических пьезорезистивных структур и датчиков на их основе (датчиков ускорения МЭМС-типа). Поскольку технологии производства данных структур не вполне совместимы со стандартными поверхностными интегральными технологиями и технологией обработки информации на кремнии — КМОП-схемами, то схемы обработки сигнала пьезорезистивного моста обычно не являются интегрированными с измерительным кремниевым кристаллом. Пьезорезистивные датчики могут содержать встроенные схемы, например толстопленочные — для лазерной подгонки чувствительности, температурной компенсации устройства.

Пьезорезистивные датчики — это актуальный сегодня тип МЭМС-акселерометров, поскольку они обеспечивают высокие рабочие характеристики. Новые разработки в данной области ориентированы на повышение гибкости технологических процессов (в том числе при интегрировании оценочной схемы) и снижение цены.

1.2.4 Интегральные датчики ускорения

Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor, 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. 1.7). 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. 1.7). 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. 1.7. Интегральный датчик ускорения 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. 1.8. 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. 1. 9. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50.

Рассмотрим несколько функциональных схем датчиков ускорения.

В датчике при возникновении линейного ускорения под действием инерционной силы происходит изменение углового положения подвижной части 3, в результате чего изменяются емкости, образованные неподвижными электродами 1, 2 и подвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя положения (рис. 1.10). На вход усилителя 4 поступает сигнал, который после преобразования и усиления подается на компенсационную катушку 5. В магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу, а ток в компенсационной катушке 5 является мерой линейного ускорения.

Рис. 1.10 Функциональная схема датчика ускорения [24]

1, 2 — неподвижные электроды; 3 — подвижный электрод; 4 — усилитель; 5 — компенсационная катушка.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения линейного ускорения.

В датчике ускорения при возникновении линейного ускорения емкости конденсаторов С1 и С2 меняются и с подвижного электрода на вход усилителя 6 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного датчика ускорения (рис. 1.11). После усиления и преобразования входного напряжения усилителя 6 выходное напряжение U подается на неподвижные электроды 1 и 2. И в дифференциальном емкостном преобразователе за счет взаимодействия наведенных зарядов на подвижном элементе от источника опорного напряжения 5 и выходных напряжений усилителя 6 создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу. В результате, рассогласование следящей системы компенсационного датчика ускорения устраняется, и выходное напряжение усилителя 6 с двумя противофазными выходами служит мерой ускорения.

Техническим результатом изобретения является повышение верхнего предела диапазона измеряемых ускорений и повышение точности измерения ускорений.

Рис. 1.11 Функциональная схема датчика ускорения [25]

1, 2 — неподвижные электроды; 3 — подвижный электрод; 4 — двухфазный генератор напряжения переменного тока; 5 — источник опорного напряжения; 6 — усилитель.

В акселерометре при наличии ускорения емкости конденсаторов C1, С2 изменяются, происходит разбаланс мостовой схемы датчика положения, и на усилитель 4 поступает переменный сигнал рассогласования следящей системы акселерометра (рис. 1.12). После его преобразования в сигнал постоянного тока и усиления, выходное напряжение на усилителе 4 преобразуется в постоянный ток посредством цепи, состоящей из последовательно включенных компенсационной катушки 5, балластного резистора R_б и масштабных резисторов R_м1, R_м2. Ток компенсационной катушки 5, проходя через масштабные резисторы R_м1, R_м2, создает на них падение напряжения U_вых, которое пропорционально измеряемому ускорению и является выходным сигналом акселерометра, поступающим на вход измерительного устройства потребителя 10.

Рис. 1.12 Функциональная схема акселерометра [26]

1,2 — неподвижные электроды; 3 — подвижный электрод; 4 усилитель; 5 — компенсационная катушка; 6,7 — компараторы; 8 — устройство, реализующее логическую функцию ИЛИ; 9 — реле; 10 — измерительное устройство потребителя При измерениях в нижней части диапазона, когда измеряемое ускорение мало относительно его верхнего предела, включены балластный резистор R_б, первый R_м1 и второй R_м2 масштабные резисторы. При этом на выходе компенсационного акселерометра при измерениях в нижней части диапазона ускорений обеспечивается большее выходное напряжение, чем при включенном одном первом R_м1 или втором R_м2 масштабных резисторов. В результате достигается повышение разрешающей способности измерений в нижней части диапазона измеряемых ускорений.

Когда измеряемое ускорение достигает величины, при которой суммарное напряжение на первом R_м1 и втором R_м2 масштабных резисторах близко к максимальному выходному напряжению усилителя 4, то, поступающее на входы компараторов 6 и 7 напряжение U_вых, в соответствии с заданным напряжением U_пор источника порогового напряжения, приводит к срабатыванию одного из компараторов в зависимости от полярности напряжения U_вых. При этом на выходе логического устройства «ИЛИ» 8 появляется сигнал, включающий реле 9. Контакты K1, K2 реле 9 замыкаются, и с выхода акселерометра поступает напряжение U_вых со второго масштабного резистора R_м2.

Техническим результатом изобретения является обеспечение режима автоматического выбора разрешающей способности компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения и повышение стабильности коэффициента преобразования.

В датчиках ускорения при наличии измеряемого линейного ускорения изменяются расстояния между электродами 1, 3 и электропроводной поверхностью 2 подвижной рамки чувствительного элемента (рис. 1.13). В результате изменяются емкости конденсаторов C1, C2, происходит разбаланс мостовой схемы датчика положения, и на вход усилителя датчика ускорения 4 поступает сигнал с датчика положения. После усиления по амплитуде и мощности и преобразования сигнала датчика положения в усилителе акселерометра 4 напряжение на его выходе прикладывается к компенсационной катушке 5 или используется для дальнейших вычислений.

Рис. 1.13 Функциональная схема датчика ускорения [27]

1,3 — неподвижные электроды, 2 — подвижный электрод; 4 — усилитель; 5 — компенсационная катушка; 6 — постоянный магнит В результате через компенсационную катушку 5 протекает ток, магнитное поле которого взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 6, в силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу. Величина тока через компенсационную катушку 5, являющаяся выходным сигналом компенсационного акселерометра, пропорциональна ускорению, а направление тока определяется направлением вектора линейного ускорения.

В акселерометре при наличии ускорения по измерительной оси изменяются емкости конденсаторов C1 и C2 дифференциального емкостного преобразователя и с подвижного электрода, образованного электропроводной поверхностью чувствительного элемента 3, на вход усилителя переменного тока 6 поступает сигнал рассогласования следящей системы (рис. 1.14).

После усиления переменного сигнала рассогласования по току и амплитуде в усилителе переменного тока 6, преобразования его в сигнал постоянного тока в фазовом детекторе 7 и усиления по амплитуде в усилителе постоянного тока 8 на каждом его противофазном выходе появляется выходное напряжение U, которое подается на неподвижные электроды 2 и 4. При взаимодействии электростатических сил на чувствительный элемент 3 воздействует компенсационный момент, который уравновешивает инерционный момент, и рассогласование следящей системы устраняется. Таким образом, выходное напряжение усилителя постоянного тока 8 пропорционально измеряемому ускорению.

Техническим результатом данного изобретения является повышение устойчивости компенсационного акселерометра к воздействию ускорений, направление которых не совпадает с направлением измеряемого ускорения, а также повышение диапазона измеряемых ускорений.

В датчике ускорения при наличии ускорения по измерительной оси на подвижный элемент действует инерционный момент, под действием которого емкости конденсаторов C1, C2 дифференциального емкостного преобразователя изменяются, и с его выхода на вход усилителя 6 поступает сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра (рис. 1.15). В результате, измеряемое компенсационным акселерометром ускорение пропорционально выходному напряжению усилителя.

Рис. 1.14 Функциональная схема акселерометра [28]

1 — двухфазный генератор напряжения переменного тока; 2,4 — неподвижные электроды; 3 — подвижный электрод; 5 — источник опорного напряжения; 6 — усилитель переменного тока; 7 — фазовый детектор; 8 — усилитель постоянного тока Кроме того, выбором сопротивлений третьего, четвертого, пятого и шестого резисторов можно изменять верхний предел диапазона измеряемых ускорений, не изменяя массы подвижного элемента и зазора между подвижным и неподвижным электродами.

Рис. 1.15 Функциональная схема датчика ускорения.

1 — двухфазный генератор напряжения переменного тока; 2,4 — неподвижные электроды, 3 — подвижный электрод; 5 — источник опорного напряжения; 6 — усилитель;

1.3 Состав и назначение ячейки датчика ускорения

В состав ячейки датчика входят:

1. Двусторонняя печатная плата 60×60×1,5 мм.

2. Чип — конденсаторы керамические 0805-X7R и 0805-NPO, количество 42 шт.

3. Конденсаторы танталовые C3225X7R1C106K TDK 1210-X7R, 2 шт.

4. Чип — резисторы 0805, 21 шт.

5. Акселерометр ММА1220D, 1 шт.

6. Микросхемы в корпусе SOIC AD620AN, AD633JR, AD8021AR, 8 шт.

Ячейка датчика ускорения выполняет следующие функции:

· измерение смещения инерционной массы относительно корпуса.

· преобразование смещения в пропорциональный электрический сигнал.

· измерение отклонения от вертикали (горизонтали).

· измерение параметров движения.

· измерение параметров вибрации.

1.4 Обзор конструкции и материалов печатных плат. Выбор печатной платы

Достоинствами ПП являются:

· увеличение плотности монтажа.

· повышенная стойкость к климатическим воздействиям.

· возможность автоматизации производства.

Все ПП делятся на следующие классы:

1. ОПП — односторонняя печатная плата.

Элементы располагаются с одной стороны платы. Характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка.

2. ДПП — двухсторонняя печатная плата.

Рисунок располагается с двух сторон, элементы с одной стороны. ДПП на металлическом основании используются в мощных устройствах.

3. МПП — многослойная печатная плата.

Плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящим рисунком. Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения. [7]

4. ГПП — гибкая печатная плата.

Имеет гибкое основание, аналогична ДПП.

5. ППП — проводная печатная плата.

Сочетание ДПП с проводным монтажом из изолированных проводов.

Достоинства МПП:

· Уменьшение размеров, увеличение плотности монтажа.

· Сокращение трудоёмкости выполнения монтажных операций.

Недостатки МПП:

· Более сложный ТП

· По условиям технического задания устройство состоит из 132 элементов. Следовательно, печатная плата должна быть многослойной.

Материалы, используемые в качестве оснований для печатных плат (ПП), должны обладать совокупностью определенных свойств. К их числу относятся высокие электроизоляционные свойства, достаточная механическая прочность и др. Все эти свойства должны быть стабильными при воздействии агрессивных сред и изменяющихся условий. Кроме того, материал платы должен обладать хорошей сцепляемостью с токопроводящим покрытием, минимальным короблением в процессе производства и эксплуатации. Если платы изготавливаются из листового материала, то последний должен допускать возможность обработки резанием и штамповкой.

При производстве аппаратуры используются конструкторско-технологические методы, позволяющие получить РЭС низкой стоимости, дешевые и недефицитные материалы основания. Для бортовой аппаратуры используют ИС в микрокорпусах, либо в бескорпусном исполнении, для размещения которых требуются МПП из стеклотекстолита, полиимидной пленки, керамики, выполненные по третьему классу и выше (аддитивные и полуаддитивные методы).

Рассмотрим некоторые материалы для изготовления ПП и выберем из них наиболее подходящий для платы ячейки датчика ускорения.

Стеклотекстолит предназначен для работы на воздухе в условиях нормальной относительной влажности окружающей среды при напряжении свыше 1000 В и частоте тока 50 Гц, а также для работы на воздухе в условиях повышенной влажности окружающей среды (93+2)%, при температуре (40+2)°С при напряжении до 1000 В и частоте тока 50 Гц. Высокая механическая прочность и электрическая стабильность позволяют проводить механическую обработку материала и использовать его для конструкционных деталей электрооборудования. Длительно допустимая рабочая температура от -65°С до +155°С

Гетинакс электротехнический листовой представляет собой слоистый материал, полученный методом горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивным связующим на основе фенолформальдегидных или эпоксидных смол. Длительно допустимая рабочая температура от -65°С до +120°С.

В процессе проектирования печатной платы придется решать несколько задач.

Вот главные из них: 1. Создание библиотеки компонентов. 2. Перевод электрической принципиальной схемы с чертежа в электронный вид. 3. Перевод контура печатной платы и крепежных отверстий с чертежа. 4. Размещение компонентов на печатной плате. 5. Трассировка (разводка) печатной платы. 6. Подготовка проекта к производству.

В данном разделе рассказывается о наиболее известных вариантах конструкций печатных плат и соответствующих технологических процессах.

Печатные платы по конструкции подразделяются на три класса: односторонние (однослойные), двухсторонние (двухслойные, или ДПП) и многослойные (МПП).

1.4.1 Односторонние ПП

Односторонние ПП (рис. 1.16.) характеризуются: повышенной точностью выполнения проводящего рисунка; отсутствием металлизированных отверстий; установкой изделий электронной техники (ИЭТ) на поверхность ПП со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительного изоляционного покрытия; низкой стоимостью.

Рис. 1.16. Односторонняя печатная плата: 1 — материал основания; 2 — проводящий рисунок.

Эти платы используются исключительно для одностороннего монтажа элементов в гладкие (неметаллизированные) отверстия. Установка элементов на поверхность практикуется обычно в любительских или макетных конструкциях. Весь электрический монтаж осуществляется на одном слое.

Напомним, что общепринято считать первым (верхним) слоем тот, на котором расположены элементы. При двухстороннем размещении элементов за верхний принимается слой, на котором находится соединитель или иные устройства с вешней коммутации (монтажные элементы, колодки, платы и т. д.).

В односторонних печатных платах для трассировки пересекающихся цепей используются перемычки, выполняемые из проволоки (обычно из медной, луженой одножильной). Они представляют собой элементы конструкции, поэтому показываются на чертежах, записываются в спецификации и т. д. Номенклатура перемычек должна быть минимальной.

Односторонние печатные платы обеспечивают самую большую точность выполнения проводящего рисунка и совмещения его с отверстиями и при этом являются наиболее дешевым классом печатных плат. Надежность печатной платы и механическая прочность крепления элементов также не высока. Во избежание отслоения печатных проводников все элементы следует монтировать без зазоров между корпусом элемента и печатной платой.

Односторонние печатные платы обеспечивают самую большую точность выполнения проводящего рисунка и совмещения его с отверстиями и при этом являются наиболее дешевым классом печатных плат. Надежность печатной платы и механическая прочность крепления элементов также не высока. Во избежание отслоения печатных проводников все элементы следует монтировать без зазоров между корпусом элемента и печатной платой.

Односторонние печатные платы, благодаря их дешевизне, используются преимущественно в бытовой аппаратуре. Для повышения прочности крепления элементов возможно изготовления односторонних печатных плат с металлизацией отверстий, но стоимость печатных плат будет сопоставима с двухсторонними.

1.4.2 Двухсторонние ПП

Известны две разновидности двухсторонних ПП (ДПП): без металлизации и с металлизацией сквозных отверстий. Платы без металлизации по многим параметрам соответствуют односторонним платам. Но из-за наличия еще одного слоя (в данном случае — первого) повышается трассировочная способность ПП и в определенной степени плотность компоновки элементов. Серьезная проблема таких плат — обеспечение электрических переходов между слоями, для чего применяются заклепки, проволочные перемычки или пайка выводов элементов с двух сторон ПП. Все это резко усложняет монтаж и в целом повышает стоимость устройства. Платы такой разновидности обычно используются в любительских и макетных устройствах.

Двусторонние ПП (рис. 1.17) без металлизации монтажных и переходных отверстий (рис. 1.17, а) характеризуются:

— высокой точностью выполнения проводящего рисунка;

— использованием объемных металлических элементов конструкции (штыри, отрезки проволоки, арматура переходов и т. п.) для соединения элементов проводящего рисунка, расположенных на противоположных сторонах печатной платы;

— низкой стоимостью.

Двусторонние ПП с металлизированными монтажными и переходными отверстиями (рис. 1.17, б), в свою очередь, определяются:

— широкими коммутационными возможностями;

— повышенной прочностью сцепления выводов навесных ИЭТ с проводящим рисунком платы;

— повышенной стоимостью по сравнению с ПП без гальванического соединения слоев.

Рис. 1.17. Двусторонняя печатная плата: а — без металлизации отверстий; б — с металлизацией отверстий; 1 — материал основания; 2 — проводящий рисунок; 3 — металлизированное отверстие; 4 — химикотехнологическое покрытие.

Платы с металлизацией переходных отверстий имеют высокую трассировочную способность, обеспечивают высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления. Эти ПП допускают монтаж элементов на поверхности и являются наиболее распространенными в производстве радиоэлектронных устройств.

1.4.3 Многослойные ПП

Многослойные ПП (МПП) отличаются очень высокой трассировочной способностью и плотностью монтажа элементов. Они почти не имеют ограничений по устанавливаемым элементам (микросхемы любой степени интеграции, поверхностно монтируемые элементы и т. д.).

Вариантов изготовления МПП предложено очень много, но практическое применение имеют два.

Многослойные ПП с металлизацией сквозных отверстий (ОСТ 4.010. 022—85) (рис. 1.18) характеризуются:

— хорошими коммутационными свойствами;

— наличием межслойных соединений, осуществляемых с помощью сквозных металлизированных отверстий, а также, в особых случаях, с помощью переходных отверстий, соединяющих только внутренние слои;

— предпочтительным использованием одностороннего фольгированого диэлектрика для наружных и двустороннего — для внутренних слоев;

— обязательным наличием контактных площадок на любом проводящем слое, имеющем электрическое соединение с переходными отверстиями;

— низкой ремонтопригодностью;

— высокой помехозащищенностью электрических цепей;

— высокой стоимостью конструкции.

Рис. 1.18. Многослойная печатная плата:1 — материал основания: 2 — проводящий рисунок; 3 — сквозное металлизированное отверстие; 4 — переходное отверстие.

1.4.4 Четырехслойные ПП попарного прессования

При изготовлении таких плат используется технология ДПП с металлизацией сквозных отверстий. Эти ПП относительно просты в изготовлении и являются самыми дешевыми из многослойных плат. Они имеют более высокую трассировочную способность по сравнению с аналогичными двухслойными платами, но их монтажная способность ниже, чем у аналогичных ДПП. Это вызвано тем, что на наружных слоях платы находятся контактные площадки отверстий для перехода на смежный и на противоположный слои МПП. Часто такие платы используются в варианте, когда два слоя отводятся для цепей «земля» и «питание» (в виде сетчатых слоев), а остальные — для трассировки функциональных цепей. С появлением других приемов изготовления МПП технология попарного прессования стала применяться реже.

1.4.5 Многослойные ПП с металлизацией сквозных отверстий

Имеется две разновидности этих МПП: с внутренними межслойными переходами и без переходов (рис. 1.19). Фактически это один вариант изготовления, но наличие внутренних переходов с технологической точки зрения можно рассматривать как дополнительную разновидность. Данные платы теоретически обладают неограниченной трассировочной способностью и позволяют монтировать любые элементы с одной или двух сторон.