Mems датчики: микроэлектромеханические системы, часть 1 / Аналитика

MEMS-микрофоны предназначены для всех аудиоприложений, где нужны малые размеры, высокое качество звука и надежность. Созданные на основе сенсорной технологии компании Omron, микрофоны STMicroelectronics могут заменить традиционный электретный конденсаторный микрофон (ECM), одновременно обеспечивая более высокую надежность.

Микрофоны MEMS компании STMicroelectronics выполнены в уникальном инновационном пластиковом корпусе, который предлагает тонкий форм-фактор и превосходит традиционные устройства по прочности и долговечности. Лучшие в своем классе показатели SNR делают микрофоны MEMS компании STMicroelectronics подходящими не только для типичных потребительских приложений, но и для применений, требующих широкого динамического диапазона, таких, например, как измерители уровня шума.

Все устройства данной группы STMicroelectronics делятся на устройства с цифровым и аналоговым выходом.

Характерным представителем данного семейства является MP34DB01 – ультракомпактный всенаправленный цифровой MEMS-микрофон с емкостным чувствительным элементом и интерфейсом I2C с возможностью передачи стереозвука в формате PDM.

MP34DB01 имеет акустическую точку перегрузки 120 дБ с лучшим на рынке отношением сигнал/шум 62,6 дБ во всем диапазоне акустической мощности и чувствительность до –26 дБ.

MP34DB01 выполнен в SMD-совместимом экранированном корпусе RHLGA размерами 3×4×1 мм и работает в расширенном температурном диапазоне: от –40 до +85 °C.

Ультракомпактные датчики атмосферного давления STMicroelectronics используют инновационные технологии MEMS для обеспечения чрезвычайно высокого разрешения при измерении атмосферного давления, а следовательно, и высоты. Выполнены в ультракомпактных и ультратонких корпусах. Устройства разработаны с использованием технологии VENSENS компании STMicroelectronics – это позволяет изготавливать датчики давления как монолитный чип, что устраняет разброс параметров от пластины к пластине и повышает надежность. Мембрана очень мала по сравнению с традиционными кремниевыми мембранами и лучше защищена от повреждений.

Шум оказывает значительное влияние на точность системы при определении высоты. ST снизил шумы датчика до минимума, таким образом, высоту можно измерять с точностью до сантиметров.

Датчики давления компании ST предназначены для повышения точности GPS при определении положения внутри зданий и навигации на местности, а также при измерении точной высоты, например, в барометрах, в смартфонах, планшетах, спортивных часах, метеостанциях, а также в автомобильных и промышленных приложениях.

Характерным представителем данного семейства является LPS331AP – MEMS-датчик давления с цифровым выходом и диапазоном измерения давления 260–1260 мбар.

LPS331AP – это ультракомпактный пьезорезистивный датчик абсолютного давления. Имеет монолитный чувствительный элемент, цифровую схему с возможностью принимать информацию от чувствительного элемента и обеспечивать цифровой канал связи с внешним хост-процессором.

Чувствительный элемент состоит из мембранного датчика внутри одной монолитной кремниевой подложки и производится с помощью специального технологического процесса VENSENS, разработанного STMicroelectronics.

Весь чип выпускается с использованием стандартного процесса CMOS, что позволяет обеспечить высокий уровень интеграции.

Датчики температуры STMicroelectronics включают аналоговые и цифровые микросхемы датчика температуры. Оба типа предназначены для использования в широком диапазоне применений, таких как промышленные, потребительские, медицинских и компьютерные сегменты рынка.

Аналоговые датчики температуры имеют низкое энергопотребление и хорошую линейность и могут работать в диапазоне температур от –55 до +130 °C. Цифровые датчики температуры отличаются низким энергопотреблением, 12-битным разрешением и могут работать в диапазоне температур от –55 до +125 °C.

Характерный представитель данного семейства – цифровой датчик температуры STCN75.

STCN75 является высокоточным цифровым датчиком температуры с сигма-дельта-АЦП и I2C-совместимым последовательным цифровым интерфейсом. Предназначен для общего применения, а также для персональных компьютеров, систем управления температурным режимом, электронного оборудования и промышленных контроллеров. Корпус стандартный 8-выводной TSSOP.

Устройство содержит датчик температуры, 9-битный АЦП и может измерять температуру с разрешением до 0,5 °С. Погрешность измерений – не более ±3 °C в диапазоне температур от –55 до 125 °C и не более ±2 °C в диапазоне от –25 до +100 °C.

Напряжение питания – от 2,7 В до 5,5 В. При работе от напряжения 3,3 В потребляемый ток, как правило, не превышает 125 мкА.

Встроенный сигма-дельта-АЦП преобразует измеренную температуру в цифровое значение, откалиброванное в градусах Цельсия или Фаренгейта, и никакого преобразования не требуется.

STCN75 не требует никаких внешних компонентов для измерения температуры.
 

Комбинированный модуль iNemo

Инерциальные модули iNemo  интегрируют различные типы датчиков и предлагают более компактные, надежные и простые в сборке решения по сравнению с дискретными продуктами MEMS. Аппаратные и программные решения iNEMO от STMicroelectronics включают в себя:

• линейку LSM33-модулей в формате SIP, которые содержат акселерометр, гироскоп и магнитометр в монолит-ном 6- или 9-осевом решении;
• модуль INEMO-М1, 9-осевое решение с микроконтроллером STM32 на борту и готовыми к использованию программными модулями пользователя.

Программное обеспечения iNEMO имеет функции фильтрации и алгоритмы предсказания, позволяющие конечному приложению достичь наилучшей производительности.

Полный портфель аппаратных и программных решений iNEMO охватывает диапазон от простых решений обнаружения движения до решений, необходимых для самых сложных приложений, таких как расширенное распознавание движений в игровых консолях, дополненная реальность, навигация внутри помещений.

Подробную информацию обо всех МЭМС-решениях вы можете найти на сайте STMicroelectronics в разделе «MEMS and Sensors».

Необычные уязвимости датчиков MEMS | Блог Касперского

То, что теперь у каждого цифрового устройства есть куча «органов чувств», помогающих ему взаимодействовать с физическим миром, — это, с одной стороны, удобно. Но с другой — создает новые, порой весьма неожиданные угрозы. Дело в том, что эти «органы чувств» хоть и близки к человеческим функционально, но по конструкции и возможностям сильно от них отличаются. И об этом не всегда задумываются при разработке электроники.

Взять, к примеру, ультразвуковые команды: человек их не слышит, а голосовые помощники — не только слышат, но и исполняют. Впрочем, взлом ассистента с помощью звука, хоть и неуловимого для человеческого уха, — это хотя бы как-то можно понять и предугадать. А вот как насчет… света?

Как услышать свет: MEMS-микрофоны и их причуды

Оказывается, если преобразовать голосовую команду в мерцание лазера и направить луч на микрофон, то ассистент благополучно распознает и выполнит запрос. Это выяснили исследователи из Университета электрокоммуникаций японского города Тёфу и Мичиганского университета. Они смогли передать команды гаджетам на расстояние в несколько десятков метров. Единственное условие — между источником лазерного луча и микрофоном устройства должна быть прямая видимость.

Исследователи опробовали лазерную атаку на умных колонках, смартфонах, планшетах и других устройствах, работающих под управлением Amazon Alexa, Apple Siri и Ассистента Google. Везде трюк сработал, различалось лишь расстояние, на котором микрофон улавливал сигнал — от 5 до 110 метров. Теоретически дальность атаки может быть и больше, если мощность лазера и характеристики объектива позволяют.

В видео ниже (в качестве примера того, что можно сделать с помощью данного метода) исследователи, сидя в соседнем здании, заставляют умную колонку Google Home открыть гараж.

Почему MEMS-микрофоны реагируют на свет

Теперь немного о том, как это работает. Лазерная атака возможна из-за особенностей устройства микрофонов в гаджетах. Большинство современных микрофонов, встроенных в умную электронику, относится к микроэлектромеханическим системам (сокращенно — МЭМС или MEMS). Это миниатюрные устройства, в которых электронные и механические компоненты объединены в одну замысловатую конструкцию.

MEMS-устройства массово изготавливают по тем же технологиям, что и компьютерные чипы, в основном из того же материала — кремния, и с той же степенью миниатюризации: размеры отдельных деталей этих устройств измеряются в микрометрах или даже нанометрах. При этом стоят MEMS-устройства невероятно дешево, так что уже успели вытеснить большинство других вариантов конструкции датчиков и прочих миниатюрных приспособлений, которые работают на стыке электроники и физического мира.

Основная чувствительная часть MEMS-микрофона — это тончайшая мембрана, примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Эта мембрана колеблется под воздействием звуковых волн. В результате пространство между ней и неподвижной частью датчика то увеличивается, то уменьшается. При этом мембрана и неподвижное основание датчика вместе образуют конденсатор, так что при изменении расстояния между ними меняется емкость. Эти изменения несложно измерить и записать, а потом преобразовать в звукозапись.

Луч света тоже может создавать волны, вызывающие колебания чувствительной мембраны. Так называемый фотоакустический эффект известен еще с конца XIX века. Тогда шотландский ученый Александр Грейам Белл (да-да, тот самый, который запатентовал телефон) изобрел фотофон — прибор, позволяющий обмениваться звуковыми сообщениями с помощью луча света на расстоянии в несколько сотен метров.

Чаще всего фотоакустический эффект возникает из-за того, что свет нагревает то, на что попадает. При нагревании предметы расширяются и становятся больше, а когда остывают — уменьшаются до исходных размеров. То есть под воздействием мерцающего лазерного луча они будут меняться в размере. Вы, скорее всего, этого не заметите, но MEMS-датчик — микроскопический и восприимчив даже к микроскопическому воздействию. Поэтому подобные колебания он почувствует и честно преобразует в звукозапись, которая потом будет распознана как голосовая команда.

Музыка движения: чувствительность MEMS-акселерометра к звуку

Технология MEMS используется не только в микрофонах, но и во множестве других датчиков. Взять, к примеру, датчики движения — гироскопы и акселерометры. Они есть в кардиостимуляторах, подушках безопасности в автомобилях и много где еще. Именно они отвечают за поворот экрана в смартфонах и планшетах, и их тоже можно обмануть необычным способом.

Пару лет назад исследователи из университетов Мичигана и Южной Каролины провели эксперимент, подчинив акселерометры, которые в норме должны реагировать на движение… звуку.

Почему MEMS-акселерометры реагируют на звук

А дело тут вот в чем. Датчик определяет, что устройство движется, по смещению микроскопического груза. Звуковые волны могут вызывать колебания груза, заставляя акселерометр думать, что он перемещается в пространстве. Исследователи испытали два десятка распространенных моделей акселерометров, и три четверти из них оказались восприимчивы к звуку.

Так, в рамках исследования ученые заставили фитнес-браслет Fitbit считать липовые шаги, а смартфон — рулить радиоуправляемой машинкой, лежа на столе. Обычно игрушка реагирует на наклон гаджета, но исследователи обманули датчик смартфона при помощи музыки, которую включили на нем же.

Надышались гелием: iPhone в отключке

Не все причуды MEMS находят в лабораторных условиях. Сисадмины одной из американских клиник столкнулись со странным явлением во время установки нового аппарата МРТ: сотрудники медцентра начали жаловаться на неработающие телефоны. Расследование показало, что из строя вышли только устройства Apple, в то время как гаджеты других производителей (а также компьютеры и медицинские аппараты) работали как ни в чем не бывало.

Виновником происшествия оказался сжиженный гелий, который применяется для охлаждения рабочих узлов томографа. При монтаже аппарата часть гелия вытекла, испарилась и распространилась по клинике — и даже малой концентрации газа хватило для того, чтобы айфоны начали впадать в летаргический сон.

Почему iPhone перестают работать из-за гелия

В отличие от прочей техники в клинике, в которой микроэлектромеханические устройства тоже используются, но не критичны для системы, в Apple Watch и айфонах начиная с шестого они отвечают за работу тактового генератора — по сути, часов, которыми пользуется вся более умная электроника. А без точного времени устройства жить не могут.

Внутри MEMS-генераторов, которые оказались виновниками отказа айфонов, создается вакуум, необходимый для их нормальной работы. Чтобы этот вакуум ничто не заполнило, при производстве чипы наглухо «запечатывают» тонким слоем кремния. Однако молекулы гелия настолько малы, что проникают сквозь кристаллическую решетку кремния и мешают нормальной работе содержащегося внутри чипа микроскопического резонатора. В результате электроника сходит с ума, айфон выключается и перестает на что-либо реагировать.

О том, что гаджеты Apple не переносят гелий, в компании знают и даже предупреждают в руководстве пользователя: «Если iPhone находится в условиях с высокой концентрацией промышленных химикатов, в том числе вблизи испарившихся сжиженных газов, таких как гелий, возможно повреждение iPhone или нарушение его функциональности». Однако подобные ситуации так редки, что о них мало кто задумывается.

Впрочем, «продышавшись», большинство пострадавших устройств пришло в норму (правда, на это требуется довольно много времени — до нескольких дней). А производитель MEMS-датчиков, которые используются в iPhone, уверяет, что более новые поколения устройств невосприимчивы к подобным газам.

Берегите свои устройства

Пока инциденты с датчиками — скорее исключение, чем правило. Более того, производители постоянно улучшают свои продукты, а исследователи предлагают варианты защиты от смоделированных атак. Но на всякий случай рекомендуем вам держать свои гаджеты подальше от окон, баллонов с гелием и прочей химией.

MTMicrosystems

Инерциальные модули, гироскопы, акселерометры

Компания MTMicrosystems Co., Ltd. занимает лидирующие позиции в Китае в области производства изделий на базе МЭМС технологий и имеет за плечами 20-ти летний опыт работы в сфере инновационных исследований и разработок. Компания MTMicrosystems первая в Китае организовала производство на базе МЭМС технологий и 6-ти дюймовых пластин, с автоматизированной системой управления производственными процессами и статистическим контролем.

Компания MTMicrosystems предоставляет полный спектр услуг своим клиентам, включая проектирование, производство, корпусирование, интеграцию модулей и проведение испытаний.

MTMicrosystems соответствует требованиям стандартов ISO9000 и TS16949.

Перечень продукции включает в себя инерциальные модули, МЭМС датчики (гироскопы, акселерометры, датчики вибрации, давления), ВЧ МЭМС, МОЭМС, МЭМС кристаллы датчиков давления.

ГК “Радиант” осуществляет прямые поставки от производителя и техническую поддержку разработок.

Инерциальные модули

развернуть

МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем.

В настоящее время STMicroelectronics — мировой лидер в производстве МЭМС-акселерометров (см. табл. 1). Компания выпускает датчики на базе 200-мм кремниевых пластин, что обеспечивает более низкую себестоимость, по сравнению с конкурентами.

Таблица 1. Динамика доходов основных производителей МЭМС продукции для сектора бытовой электроники и мобильных устройств

Основные достоинства технологии МЭМС-датчиков компании ST

Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов.
Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении МЭМС-устройств в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками.
Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получить микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.
Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в миниатюрном корпусе.
Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т.д. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов и их интегральное исполнение совместно с обрабатывающей схемой позволяют значительно повысить точность измерений. Кроме того, повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики.
Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении МЭМС, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Механические узлы МЭМС в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе МЭМС, амортизированном выводами и конструкцией ПП.
Низкая стоимость. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в МЭМС-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем.

Основные секторы применения акселерометров и гироскопов

– Игровые консоли.
– Стабилизация изображения в фото- и видеокамерах.
– Курсорные указатели для интеллектуальных интерфейсов пользователя.
– Расширение GPS-решений (системы счисления пройденного пути).
– Системы управления движением в робототехнике.
– Стабилизация платформ промышленного оборудования.

Технология и конструкция МЭМС-датчиков движения ST

Датчики, выполненные по технологии МЭМС, изготавливаются с помощью тех же технологических приемов, что и интегральные микросхемы. Акселерометр и гироскоп ST состоит из двух ключевых элементов:
– МЭМС-кремниевого микромеханического емкостного сенсора, чувствительного к ускорению или повороту;
– схемы обработки сигнала, преобразующей выходные сигналы этого сенсора в аналоговые или цифровые сигналы.
Для снижения стоимости, повышения надежности, помехозащищенности и плотности монтажа компания ST совмещает оба этих устройства в едином корпусе (см. рис. 1).

Принцип работы МЭМС-сенсора движения

Принцип работы сенсоров движения (акселерометров и гироскопов) основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение. Структура емкостного акселерометра состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Емкости включены в контур резонансного генератора. Под действием приложенных управляющих электрических сигналов подвешенная масса совершает колебания. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется. На рисунке 2 показана топология МЭМС-сенсора ST.

В конструкции МЭМС-сенсоров для акселерометров и гироскопов используется камертонная система электродов. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям.
С появлением угловой скорости сила Кориолиса прикладывается в противоположных направлениях. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения. При линейном ускорении векторы приложения сил для обеих масс действуют в одном направлении. При этом дифференциальная разность равна нулю. В МЭМС-сенсорах физическое перемещение массы подвижных электродов преобразуется в электрический сигнал за счет емкостного преобразования.

Семейство МЭМС-акселерометров ST

Акселерометры ST, в зависимости от модели, способны измерять ускорение или вибрацию в одном или одновременно двух и трех направлениях. Значение смещения измеряется и в зависимости от типа выходного интерфейса преобразуется в аналоговый или цифровой выходной сигнал. На рисунках 3 и 4 приведены функциональные схемы и ключевые характеристики двух групп датчиков с аналоговым и цифровым выходом.

В сводной таблице 2 приведены основные характеристики датчиков акселерометров

Таблица 2. Семейство МЭМС-акселерометров STMicroelectronics

Первая цифра в наименовании указывает число осей датчика (2 или 3). Далее следуют две цифры номера разработки. Первая буква в суффиксе означает тип выходного интерфейса (D — digital или A — analog).
STAIS226DS, AIS326DQ — двух- и трехосевые акселерометры, предназначенные для автомобильной промышленности и имеющие рабочий диапазон температур –40…105°C. Полоса пропускания: 640 Гц. Имеется функция самотестирования.
LIS202DL — ультракомпактный двухосевой акселерометр с низким потреблением энергии. У него имеются встроенные интеллектуальные функции, в т.ч. распознавание одинарного и двойного щелчка. Акселерометр можно запрограммировать на обнаружение простых пользовательских действий, например, связать функцию двойного щелчка с аппаратным прерыванием, благодаря чему звонок мобильного телефона приглушается в кармане одним движением. Пользователь может выбрать один из двух стандартных цифровых интерфейсов: SPI или I²C. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять функционирование датчика после подачи напряжения на плату.
LIS244AL, LIS344AL — очень компактные двух- и трехосевые акселерометры для измерения небольших величин ускорения. Они объединяют в одном корпусе двухосевой МЭМС-датчик и интерфейсную микросхему, которая вырабатывает в реальном времени два независимых выходных аналоговых напряжения: одно для поперечного, другое — для продольного направлений. Акселерометры обладают очень низким уровнем шумов при минимальном потреблении энергии, что особенно важно для систем с батарейным питанием. Встроенные элементы самотестирования позволяют контролировать механическую и электрическую части устройства. Сенсоры предназначены для широкого спектра аппаратуры, критичной к размерам корпуса и потреблению энергии: пользовательские интерфейсы; охранные системы; дистанционное управление объектами; управление потреблением энергии с учетом движения, спортивные и медицинские приборы. Акселерометры LIS244ALH, LIS344ALH аналогичны сериям LIS244AL и LIS344AL, но имеют два диапазона измерений: ±2 или ±6g.
LIS302DL — многофункциональный датчик ускорения для систем защиты жестких дисков, создания бесконтактных интерфейсов в современных мобильных телефонах и ноутбуках. Акселерометры выпускаются в пластмассовом корпусе с габаритами 3×5×0,9 мм, что значительно экономит место и минимизирует вес мобильных аппаратов. Отличительные черты этих приборов — низкое потребление энергии (1 мВт) и высокая устойчивость к вибрации и ударам с ускорением до 10000g. Для считывания данных выбирается один из двух доступных стандартных интерфейсов — SPI или I²C. Кроме того, имеются два независимых порта для вывода программируемых сигналов прерывания. Два отдельных сигнала прерывания могут формироваться при превышении величины свободного падения или порога, устанавливаемого пользователем. Оба сигнала используются для контроля превышения установленных пользователем порогов для любых значений в диапазоне измеряемых ускорений.
На сегодняшний день трехосный цифровой МЭМС-акселерометр LIS302DLH, обеспечивающий высокую точность и стабильность с 16-разрядным преобразованием, является самым тонким в мире среди подобных устройств — толщина его корпуса составляет всего 0,75 мм, а площадь основания — 3×5 мм.
Низкое напряжение питания и малое потребление делают его идеальным для использования в приборах с батарейным питанием. Микросхема в состоянии покоя и отсутствия изменений сигнала находится в режиме пониженного энергопотребления с автоматической активацией при обнаружении движения. Диапазон измерения входных сигналов: ±8 г. Измеряемый сигнал передается через последовательные интерфейсы I²C/SPI в формате, обеспечивающем непосредственное подключение к системному процессору без использования дополнительных компонентов. Датчик LIS302DLH полностью совместим c другими ранее разработанными трехосевыми акселераторами семейства Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE, обеспечивая тем самым высокий уровень масштабирования продукции (сохранение совместимости при расширении функциональных возможностей). Приложения на базе цифрового акселерометра LIS302DLH включают в себя функции обнаружения движения; тревожной сигнализации о смене ориентации в пространстве; обнаружения состояния свободного падения; мониторинга уровня вибрации.
LIS3LV02DL — трехосевой цифровой линейный акселерометр c программируемым 12- или 16-разрядным представлением данных. Датчик поддерживает два цифровых интерфейса (SPI/I²C), имеет низкую мощность потребления и высокую разрешающую способность. При подаче напряжения питания сенсор производит процедуру самотестирования, что позволяет пользователю быть уверенным в исправности устройства. Датчик можно сконфигурировать на генерацию прерывания при обнаружении ускорения свободного падения. Имеется возможность программной установки порога значения ускорения, при превышении которого, по крайней мере в одной из трех осей, устройство выдаст сигнал прерывания. LIS3LV02DL доступен в пластмассовом корпусе LGA16. Рабочий диапазон температур составляет –40…85°C.
LIS3LV02DQ — трехосевой акселерометр для измерения небольших значений ускорения со стандартными цифровыми интерфейсами SPI/I²C. В LIS3LV02DQ полосу пропускания можно гибко задать командой программного обеспечения, позволяя разработчикам эффективно менять условия измерения. Как и в предыдущем устройстве, в данном случае реализована возможность программной установки порога, при превышении которого устройство формирует прерывание. Эта информация помогает быстро понять, в каком направлении перемещается датчик, прежде чем будут произведены какие-либо вычисления.
LIS331AL, LIS331DL — трехосевые, линейные, универсальные, экономичные МЭМС- акселерометры класса «нано». Высокофункциональные датчики с низким потреблением энергии обеспечивают очень высокую устойчивость к вибрациям и ударам с ускорениями до 10000g. Нанодатчики движения компании ST предназначены для приложений с небольшими ускорениями для бытовых и промышленных устройств, включая интерфейсы движения пользователя в мобильных и игровых устройствах, обнаружения свободного падения для защиты данных на жестком диске, обнаружения и компенсации вибрации в бытовой технике. Конструкция датчика включает в себя два стандартных цифровых интерфейса SPI и I²C. Пользователь может выбрать любой из них. Кроме того, имеются встроенные интеллектуальные функции, включающие распознавание одинарного и двойного щелчка, обнаружение выхода из состояния покоя и движения, фильтры верхних частот и две выделенных гибко программируемых линии прерывания. Датчик обеспечивает полную шкалу выходного сигнала ±2,0g, высокую температурную стабильность и большую устойчивость к смещению. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять датчик после установки на плату. LIS331DLF, LIS331DLM, LIS331DLH — 6-, 8- или 12-разрядные приборы с цифровым выходом, которые являются pin-to-pin- и программно-совместимыми.
Основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, однако на их основе можно измерять наклон, движение объекта, определение положения в пространстве, силу ударов и вибрацию.

Семейство МЭМС-гироскопов ST

Семейство гироскопов содержит трехосевые датчики (Yaw, Pitch и Roll). На рисунке 5 показаны направления и названия чувствительных осей датчика по отношению к плоскости корпуса.

Базовым параметром гироскопов является чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению угла поворота.
Параметр Zero-rate характеризует начальное смещение выходного сигнала при нулевом повороте датчика. Смещение связано с технологией изготовления и может измениться после монтажа микросхемы. Оно имеет слабую зависимость от температуры и должно учитываться при обработке и выделении полезного сигнала.

Основные параметры гироскопа LYPR540AH

– Напряжение питания: 2,7…3,6 В.
– Расширенный температурный диапазон (–40…85°C).
– 3 независимых аналоговых канала.
– Диапазон полной шкалы: опции ±400 и ±1600 dps.
– Высокая ударопрочность.
– Встроенное самотестирование.
Объединение акселерометра и гироскопа позволяет создавать интегрированные инерционные системы (Inertial Movement Units, IMU).

Функционально законченные датчики

ST производит также функционально ориентированный датчик FC30, который представляет собой датчик 3D-ориентации прибора в пространстве и предназначен для мобильных и портативных устройств, в частности, для использования в электронных фоторамках. Встроенный в портативный прибор датчик обеспечивает слежение за ориентацией плоскости экрана дисплея прибора по отношению к пользователю. При обнаружении поворота плоскости экрана вокруг оси производится и поворот изображения, для того чтобы обеспечить его нормальное положение по отношению к пользователю.
Датчик также позволяет обнаруживать одиночные и двойные щелчки по экрану в процессе навигации в пользовательском графическом интерфейсе.

Заключение

Активное развитие мобильных устройств возвело акселерометры (датчики ускорения, перемещения и ориентации) в разряд базовых массовых компонентов современной продукции. К 2010 г. рост рынка МЭМС-акселерометров составит 14,1%, а с 2011 по 2012 гг. ожидается удвоение этого сегмента. Массовому использованию датчиков акселерометров способствовало их существенное удешевление — в 2008 г. цена МЭМС-чипа снизилась до 1 долл. и менее. В настоящее время 40% выпускаемых акселерометров находит свое применение в автомобильной промышленности, а в мобильных телефонах и другой потребительской электронике пока используется лишь 22% всего объема этих чипов. При этом доля такого применения будет увеличиваться. К 2013 г. рынок акселерометров вырастет до 1,7 млрд долл. Успех Apple iPhone способствовал росту продаж микроэлектромеханических систем. К концу текущего года 10% из всех поставленных мобильных устройств, а таких насчитывается 1,29 млрд, включали МЭМС-акселерометры. Выручка от продаж всех типов МЭМС для мобильных устройств к концу 2012 г. достигнет 1,3 млрд долл. Востребованы МЭМС-акселерометры и гироскопы у производителей игровых консолей. В ближайшие годы ожидается рост спроса на МЭМС-устройства для ПК.

Литература

1. Александр Райхман. STMicroelectronics — мировой лидер в производстве датчиков движения//Новости электроники № 2, 2009.
2. Андрей Еманов. Инерциальные датчики STMicroelectronics.
3. Веб-семинар “МEМS Gyroscopes: Their main applications, internal structure, working principles”.
4. Datasheet. LYPR540AH МЭМС motion sensor: 3 axis analog output gyroscope.
5. AN2041 Application note LIS3LV02DQ: 3-axis — ±2g/±6g Digital Output Low Voltage Linear Accelerometer.

Bosch выпустила MEMS-датчики для навигации | Новости

Компания Bosch начала производство новых MEMS-датчиков – SMI230, которые с высокой точностью регистрируют изменения в направлении и скорости движения автомобиля, оценивают информацию и передают ее в навигационную систему.

«С полупроводниковыми датчиками Bosch водитель не заблудится даже при сбоях в навигаторе. Сегодня уже невозможно представить автомобили без них – это ключ к современной мобильности», – заявил Йенс Фабровски, член исполнительного руководства подразделения Bosch Automotive Electronics.

Как отмечается, благодаря точной GPS-позиции и непрерывной обработке информации с датчиков навигационная стрелка на дисплее больше не делает нереалистичных прыжков и внезапно не меняет направление на пути из одного пункта в другой.

Для получения данных о движении транспортного средства компания Bosch соединила в корпусе нового MEMS-датчика два крошечных и чрезвычайно чувствительных чипа: один определяет ускорение транспортного средства, второй – угловую скорость.

Сенсорная технология чипов обеспечивает плавность, с которой путь машины отображается на экране навигатора. Он непрерывно анализирует изменения в движении и скорости автомобиля, обнаруженные датчиком Bosch, и отображает информацию на карте. Поэтому благодаря SMI230 даже при сбоях спутникового сигнала водителю легко ориентироваться, в каком направлении ехать.

«Датчик Bosch исключает слепые зоны навигации GNSS, – говорит Майкл Рупп, менеджер по продукции в автомобильной электронике Bosch. – Это помогает безошибочно определить положение транспортного средства даже при слабом спутниковом сигнале и дать своевременные подсказки для продолжения маршрута».

Датчик выпускается в корпусе LGA 16 размером 3 × 4.5 мм

Полупроводниковые чипы Bosch, в основном, используются как датчики для систем безопасности или для мультимедийных и коммуникационных приложений, которые помогают водителю, а также обычных и электрифицированных силовых агрегатах. Возможности SMI230 позволяют не только улучшить навигацию, но и другие автоматические системы управления, где особенно важна точность данных. Кроме того, такие MEMS-датчики подходят для систем сигнализации транспортных средств – они способны реагировать на вибрации и удары, а при дорожно-транспортном происшествии фиксируют столкновение или переворот и автоматически запускают систему экстренного вызова eCall.

Замовлення хмари в декілька кліків. UCloud запустив хмарний чат бот!

как работают датчики – mems sensor

MEMS (Micro Электромеханические системы) Технология

Менее чем 20 лет, технология MEMS (микроэлектромеханические системы) прошел путь от интересного академического упражнения до интегрального часть многих распространенных продуктов. Но, как и в случае с большинством новых технологий, практическое внедрение технологии MEMS потребовало времени произойдет.Проблемы дизайна, связанные с созданием успешного Продукт MEMS (ADXL2O2E) описывается в этой статье Харви Вайнберг из Analog Devices.

В ранних МЭМС системы многочиповый подход с чувствительным элементом (MEMS структура) на одной микросхеме, а электроника формирования сигнала на другом чипе использовался. Хотя этот подход проще из С технологической точки зрения у него много недостатков:

* Общий площадь кремния обычно больше.

* мульти чип-модули требуют дополнительных этапов сборки.

* Урожайность обычно ниже для многочиповых модулей.

* Больше сигналы от датчика необходимы для преодоления паразитной емкости микросхемы к межпозвоночным соединениям и паразитные поля, требующие более крупная структура датчика.

* Больше пакеты обычно требуются для размещения двухчиповой структуры.

Конечно, история учит нас, что интеграция является наиболее рентабельной и высокопроизводительное решение. Поэтому компания Analog Devices разработала интегрированный подход к MEMS, где электроника датчиков и преобразования сигналов находятся на одной микросхеме.

Рисунок 1

Последний поколение ADXL2O2E является результатом почти десятилетий опыт создания интегрированных акселерометров MEMS.Это Самая компактная в мире серийно производимая, недорогая и недорогая интегрированная МЭМС двухосевой акселерометр.

Механическая структура ADXL2O2E показана на рисунке 1. вместе с некоторыми ключевыми размерами на Рисунке 2.

Рисунок 2

поликремний Пружины подвешивают структуру MEMS над подложкой таким образом, чтобы корпус датчика (также известный как контрольная масса) может двигаться по осям X и Y.Ускорение вызывает отклонение доказательства массу от ее центрального положения. Вокруг четырех сторон квадрата Пробная масса – 32 комплекта радиальных пальцев.

Эти пальцы расположены между пластинами, которые прикреплены к субстрат. Каждый палец и пара неподвижных пластин составляют дифференциальный конденсатор, а отклонение контрольной массы определяется путем измерения дифференциальной емкости.

Этот метод измерения позволяет определять как динамическое ускорение, (я.е. удар или вибрация) и статическое ускорение (т. е. наклон или гравитация).

Дифференциал емкость измеряется с использованием синхронной модуляции / демодуляции техники. После усиления ускорение по осям X и Y каждый сигнал проходит через резистор 32 кОм на выходной контакт (Cx и Cy) и модулятор рабочего цикла (общая архитектура можно увидеть на блок-схеме на рисунке 3).Пользователь может ограничить полосы пропускания и тем самым снизить уровень шума, добавив конденсатор на выводе Cx и Cy.

Выход сигналы представляют собой напряжение, пропорциональное ускорению и широтно-импульсной модуляции (ШИМ) пропорционально ускорению.
Используя выходы PWM, пользователь может напрямую взаимодействовать с ADXL2O2. к цифровым входам микроконтроллера с помощью счетчика для расшифровать ШИМ.

Рисунок 3

испытаний в дизайне MEMS

Механический проектирование микроскопических механических систем, даже простых систем, сначала требуется понимание механического поведения различные используемые элементы. Пока основные правила механики динамика все еще сохраняется в миниатюрном мире, многие из материалы, используемые в этих конструкциях, не очень хорошо механически охарактеризован.Например, в большинстве МЭМС-систем используется поликремний. строить механические конструкции. Поликремний – знакомый материал в мире ИС и совместим с процессами производства ИС.

До недавнего времени для полного понимания механические свойства поликремния. Кроме того, многие материалы механические свойства меняются в микроскопическом мире. Очередной раз, поликремний – хороший пример. В макромире редко бывает используется как механический элемент.Он слишком хрупкий и хрупкий, чтобы выдерживают все механические прогибы, кроме небольших. Но в
чрезвычайно малые перемещения МЭМС-структур (менее нескольких pm) оказывается практически идеальным материалом.

Электронный конструкция датчиков MEMS очень сложна. Большинство датчиков MEMS (включая ADXL2O2E) механические системы предназначены для реализации конденсатор переменной емкости. Электроника используется для преобразования переменной емкость для переменного напряжения или тока, усиление, линеаризация, а в некоторых случаях температурная компенсация сигнала.Это сложная задача, поскольку задействованные сигналы очень незначительны.

Например, в случае ADXL2O2E наименьшая разрешаемая сигнал составляет примерно 2OzF, и это в верхней части общего режима сигнал на несколько порядков больше! Конечно, по соображениям стоимости
электроника при этом должна быть как можно более компактной.

Интегрированный подход поставил дополнительные задачи.
Множество стандартных этапов производства, улучшающих механическую структуру ухудшить электронику и наоборот. Например, обычный метод выравнивания механической структуры поликремния отжиг (когда структура подвергается контролируемой высокой температуры). Хотя процесс отжига выгоден механическая структура, это может ухудшить или разрушить транзисторы BiMOS используется в электронике формирования сигнала.Так совместимый механический и необходимо было разработать электронные методы обработки.

Другой блокпост для разработчика MEMS было отсутствие стандартных программное обеспечение для проектирования. Современные интегральные схемы редко проектируются рукой. Для помощи используется сложное программное обеспечение САПР и моделирования. проектировать и оптимизировать концепции дизайнеров.

Конструкция MEMS программное обеспечение все еще находится в зачаточном состоянии, и большинство производителей МЭМС разрабатывать часть или все свои САПР и программное обеспечение для моделирования в соответствии с требованиями их особые потребности.

Изготовление Проблема проектирования процессов, пожалуй, самая большая. Методы для построения трехмерных структур MEMS необходимо было разработать. Для «вырезания» можно использовать химическое и канавочное травление. конструкции из твердого поликремния, но дополнительные технологические этапы необходимо использовать для удаления материала под узорчатым поликремний, чтобы он мог свободно перемещаться.

Стандартный пластик Инжекционная упаковка ИС не может использоваться из-за движущихся части структуры МЭМС.Полость какого-либо типа должна поддерживаться вокруг мобильной структуры MEMS. Так альтернативный недорогой резонатор упаковка была разработана.

Кроме того, этот пакет должен быть механически устойчивым, так как внешнее механическое напряжение может привести к изменению производительности.

Даже мирское такие задачи, как разрезание пластины на один кристалл, становятся сложный. В стандартной ИС остаток частиц, образованный процесс распиловки не влияет на IC.В движущейся структуре МЭМС эти частицы могут испортить устройство.

Пользователи Вызов
МЭМС датчики, как и почти все электронные устройства, не показывают идеальных поведение. Хотя большинство дизайнеров научились обращаться с неидеальное поведение операционных усилителей и транзисторов, мало кто узнал методы проектирования, используемые для компенсации неидеального поведения МЭМС. В большинстве случаев такая информация отсутствует в учебниках. или курсы, так как технология достаточно новая.Так что обычно дизайнеры необходимо получить такую ​​информацию от производителя MEMS.

Аналоговые устройства, например, поддерживает веб-сайт с инструментами дизайна, ссылки конструкции и десятки замечаний по применению, относящихся к его МЭМС акселерометры для облегчения работы пользователей.

Заключение
Как и все новые технологии, как разработчики, так и пользователи Устройствам МЭМС необходимо пройти обучение.Усилия стоит, как устройства MEMS последнего поколения высокой производительности и низкая стоимость позволили создать инновационные продукты в десятках рынки.

Для получения дополнительной информации, обращайтесь: –
Analog Devices – Тел .: +44 (0) 1932 266013

Разбираемся в МЭМС

МЭМС технологии являются восходящей звездой на рынке датчиков.Однако есть ряд заблуждений относительно их возможностей, и обычные датчики продолжают находить гораздо более широкое применение

Джесси Бонфельд из Sherborne Sensors исследует эволюцию Изготовление МЭМС, микросистемы и устройства МЭМС и их влияние на рынке датчиков.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) описывает оба типа устройства или датчика и производственного процесса.Датчики MEMS включать крошечные устройства с миниатюрными механическими структурами обычно в диапазоне от 1 до 100 мкм (около толщины человеческий волос), в то время как производственные процессы МЭМС обеспечивают альтернатива традиционной крупномасштабной механической обработке и сборке техники.

Также известные как «микросистемы» в Европе и «микромашины» в В Японии в последние годы на передний план вышли устройства МЭМС с широкое внедрение датчиков движения MEMS в автомобилестроении промышленность и растущее использование акселерометров и гироскопов в бытовой электронике.Возможно, самый известный потребитель электроника, включающая датчики движения MEMS, включает ряд ведущих смартфонов и игровых консолей / контроллеров.

Подъем микромашин
Датчики MEMS объединяют электрические и механические компоненты в или на одной микросхеме – т.е. они электромеханические датчики. Таким образом, датчики MEMS представляют собой непрерывный мост. электронные датчики на одном конце спектра, а механические датчики на другом.Однако ключевым критерием датчика MEMS является состоит в том, что обычно есть элементы с механической функциональностью – то есть элемент, который может растягиваться, отклоняться, вращаться, вращаться, или вибрировать.

Разработка МЭМС связана с отраслью микроэлектроники, и сочетает в себе и расширяет традиционные методы, разработанные для обработка интегральных схем (ИС) с использованием процессов, специфичных для МЭМС, для изготовления небольших механических конструкций, измеряющих микрометром масштаб (одна миллионная метра).Как и в случае изготовления ИС, большинство датчиков MEMS изготавливаются с использованием кремния (Si) пластина, посредством которой тонкие слои материалов наносятся на Si-основу, а затем выборочно вытравливают, чтобы оставить микроскопические Трехмерные конструкции, такие как балки, диафрагмы, шестерни, рычаги или пружины. Этот процесс, известный как «объемная микрообработка», был коммерциализирован. в конце 1970-х – начале 1980-х годов, но ряд других концепции и методы травления и микрообработки с тех пор был разработан [см. рамку].

Первые микромашинные датчики давления – или “диффузный” датчик как они были изначально известны – были разработаны и изготовлены компанией Kulite Semiconductor в середине 1960-х годов. Известен как “пьезорезистивный” датчик давления, или «силиконовая ячейка», состоит из датчика давления микромашинной кремниевой диафрагмы с пьезорезистивной деформацией датчики рассеиваются в нем, сплавлены с кремниевой или стеклянной задней пластиной. Верхняя часть диафрагмы подвергается воздействию окружающей среды через порт и деформируется в ответ на перепад давления на Это.Затем степень деформации диафрагмы преобразуется к характерному электрическому сигналу, который появляется на датчике выход.

микросенсоров и МЭМС
История датчиков давления Si широко известна как представитель эволюции микросенсоров. Микросенсор – это датчик который имеет хотя бы один физический размер в субмиллиметре уровень, и сегодня может использоваться для измерения или описания окружающей среды или физическое состояние, такое как ускорение, высота, сила, давление или температура.Методы микрообработки также позволили разработать микроактюаторы, которые являются устройствами которые принимают сигнал данных в качестве входных данных, а затем выполняют действие на основе этого сигнала в качестве выхода. Примеры включают микроклапаны для управления потоками газа и жидкости, оптические переключатели и зеркала для перенаправления или модуляции световых лучей и микронасосов для разработки положительное давление жидкости.

Достижения в технологии ИС и производственных процессах МЭМС включенные коммерческие устройства MEMS, которые интегрируют микросенсоры, микроактюаторы и микроэлектронные ИС для улучшения восприятия и контроль физической среды.Эти устройства также известные как «микросистемы» или «интеллектуальные датчики», способны собирать информация из окружающей среды путем измерения механических, тепловых, биологические, химические, оптические или магнитные явления. IC затем обрабатывает эту информацию и направляет привод (ы) на реагировать перемещением, позиционированием, регулированием, накачкой или фильтрацией. Любое устройство или система может считаться устройством MEMS, если оно включает некоторая форма компонента, произведенного MEMS.И может быть любой количество устройств MEMS в конкретной микросистеме – диапазон от нескольких до нескольких миллионов.

Спрос на устройства MEMS изначально определялся государством и военный / оборонный секторы. Совсем недавно созревание процессы производства полупроводников, связанные с микрочипами используется в персональных компьютерах, и пересечение с огромная потребность в автомобильной промышленности и секторе бытовой электроники, продвинула датчики MEMS в мейнстрим.Ключевые МЭМС Сегодняшние датчики – это акселерометры, гироскопы и датчики давления.

Инновации и ограничения
Слишком часто МЭМС-технологии воспринимаются как всеобъемлющие. решения, когда на самом деле они остаются в значительной степени одним продуктом, единый процессный бизнес. Ряд компаний разрабатывают и производят Сами устройства MEMS и определяются как «IDM» (интегрированные производители устройств), в то время как некоторые производят аутсорсинг (fabless), и другие работают с обеими моделями.Большая часть путаницы в рынок можно отнести к этому разнообразию, и то, как различные вертикали, последовательно соединяющиеся друг с другом, делают рынок МЭМС общеизвестно, что трудно дать определение.

На этапе изготовления очень мало компаний, если таковые имеются. работающих на рынке датчиков, предлагающих МЭМС вместе с другая технология из-за высокой стоимости выхода на рынок и стоимость упаковки МЭМС-устройств.Точно так же, как только компания занимается производством устройств MEMS, это сложно чтобы эта компания сменила фокус из-за низкой рентабельности, повысила затраты на разработку и большую сложность. Тем не менее, МЭМС делает возможность крупносерийного производства благодаря технологии серийного производства что приводит к очень низким затратам на каждое отдельное устройство.

Также очень редко производители МЭМС предоставляют продукты прямо к конечным пользователям.Учитывая, что датчики MEMS должны взаимодействовать с внешняя среда, упаковка МЭМС-устройств в сборка более высокого порядка, которая может использоваться конечными пользователями напрямую добавляет дополнительный уровень сложности, требующий экспертизы и специализированные производственные мощности. Эта динамика рынка сродни индустрии полупроводников, в которой микрочипы производятся оптом, фасуются и доставляются производителям создание коммерческих продуктов (например, персональных компьютеров).

Форма будущих датчиков
Достижения в технологиях и методах МЭМС означают, что производители теперь могут производить очень мощные МЭМС-датчики и устройства, но многие не могут быть установлены непосредственно в конечное приложение потому что они не могут выжить в суровых условиях окончательной сборки. Наоборот, обычные датчики выдерживают практически любой процесс сборки и любое приложение, но воспринимаются как слишком большие и слишком дорого.Отсюда проблема для производителей МЭМС. датчики, которые будут использоваться в коммерческих продуктах, должны принять цена и форм-фактор MEMS, и упаковать это во что-то способен противостоять суровым условиям окружающей среды.

Действительно, необходимо предусмотреть второй уровень упаковки. и понятны специализированным производителям, стремящимся к реализовать потенциал роста. Сегодня большинство отраслевых инноваций и коммерческие возможности сосредоточены на применении существующих Устройства MEMS, в дополнение к новым способам упаковки и интеграции Устройства МЭМС в системе, которые могут использоваться непосредственно на конце пользователей.

По мере того, как рынок MEMS возвращается к росту, гибкие OEM-производители будут быть теми, которые определяют, как интегрировать обычный датчик технологии производства и возможности производительности с новые тенденции MEMS для преодоления ограничений в материалах потребности и процессы. Если обращаются к последним, то это возможно, что все обычные производственные технологии и типы датчиков будут заменены, но, конечно, не для ближайшее будущее.

Датчики и МЭМС | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта.Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.