СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 но определить по формуле а = х (k/m), причём параметр в скобках определяет- ся конструкцией датчика. Ось чувстви- тельности датчика лежит в плоскости поликремниевой плёнки, параллель- ной печатной плате, на которой уста- новлена микросхема в металлическом корпусе ТО-100 (см. рис. 6). Соединённые параллельно обкладки конденсаторов датчика с общими ёмко- стями CS1 и CS2 подключаются к элек- тронным узлам на кристалле микросхе- мы. Перемещение подвижной инерци- онной балки при изменении скорости перемещения всей микросхемы вдоль оси чувствительности приводит к нео- динаковому изменению ёмкостей CS1 и CS2. На неподвижные обкладки кон- денсаторов подаются противофаз- ные импульсные сигналы одинако- вой амплитуды от местного генера- тора (меандр с частотой 1 МГц). При движении с постоянной скоростью или в неподвижном состоянии микросхемы суммарный сигнал на подвижной части датчика, соединённого с входом уси- лителя, практически отсутствует. При возникновении ускорения вдоль оси чувствительности датчика появляется разностный сигнал прямоугольный формы, амплитуда которого зависит от величины смещения инерциальной балки, а фаза определяется направле- нием ускорения (вперёд или назад). Сигнал с выхода усилителя подаётся на фазочувствительный демодулятор, преобразующий его в низкочастотный с полосой 0–10 кГц (конкретная поло- са пропускания определяется внешни- ми элементами). Для уменьшения влияния темпера- туры окружающей среды, временны ′ х изменений параметров схемы и нели- нейности переходной характеристики на точность измерений, в схему введена отрицательная обратная связь (ООС) по положению инерциальной балки. Для реализации ООС напряжение с выхода предусилителя через резистор сопро- тивлением 3 МОм подаётся на подвиж- ную часть конденсаторной системы. Это напряжение создаёт электростати- ческие силы, стремящиеся установить инерциальную балку в исходное состо- яние. При заданных параметрах внеш- них и внутренних элементов и в отсут- ствие ускорения ООС не позволяет балке сдвигаться на расстояние более чем 0,01 мкм от исходного. При отсут- ствии ускорения напряжение на выхо- де микросхемы (вывод 9) равно 1,8 В, при полном ускорении ±50 g напряже- ние изменяется до 1,8 ± 0,95 В, паспорт- ная крутизна изменения выходного напряжения (чувствительность датчи- ка) составляет 19 мВ/g (измеряется по выходу V pr /вывод 8 микросхемы). При использовании буферного уси- лителя диапазон измеряемых ускоре- ний и чувствительность микросхемы задаётся значениями сопротивлений резисторов R1, R2 и R3, которые опре- деляют коэффициент усиления буфер- ного каскада (см. рис. 4). При изме- нении КУ в пределах 2–10, диапазон измеряемых ускорений лежит в пре- делах ±50…±10 g, а чувствительность – в пределах 40–200 мВ/g (измеряется по выходу V out /вывод 9). Подробные данные об особенностях применения микросхемы приведены в статье Бил- ла Ридела (Bill Riedel) [1]. Микросхема ADXL50 стала первым интегральным датчиком ускорения для систем управления подушками безопас- ности автомобилей, выпускаемых боль- шими тиражами. До его появления на рынке цена множества компонентов и работ по установке подушек безопас- ности находилась в пределах $400–600 (1990 г.). С применением ADXL50 эта цена снизилась до $50–80. В дальней- шем принцип измерения ускорений Конденсатор демодулятора Развязывающий конденсатор Генератор 1 МГц Выводы микросхемы +3,4 В +3,4 В RST +3,4 В +3,4 В +1,8 В +1,8 В +0,2 В +0,2 В V REF V PR +3,4 В +5 В +5 В +5 В +5 В 33 кОм 50 кОм 75 Ом CS1 CS2 0 ° 180 ° 33 кОм С2 С1 С1 + – + – ИОН Общий Корпус U вых U вх Груз Синхро- импульсы Буферный усилитель Синхронный демодулятор Тестовый вход Предусилитель ООС К у = 10 +1,8 В +1,8 В 3 МОм Рис. 5. Функциональная схема измерителя ускорения Вид сверху Вид сверху Подвижная обкладка Непо- движные обкладки Подвижная обкладка Элемен- тарная ячейка Элемен- тарная ячейка Растяжка Приложенное ускорение Груз а б Груз Анкер CS1 CS1 = CS2 CS1 < CS2 CS1 CS1 CS2 CS2 CS2 Рис. 4. Структура ячейки МЭМС: а – структура ячейки МЭМС в исходном положении, б – структура ячейки МЭМС в отклонённом состоянии © СТА-ПРЕСС