Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №4

Автомобильные акселерометры. Часть 5. Перспективная элементная база поверхностных кремниевых ёмкостных MEMS – акселерометров

Сысоева Светлана


Данная часть статьи завершает начатый в предыдущей публикации обзор кремниевых емкостных MEMS-акселерометров, которые, благодаря их малому размеру, высокой степени интеграции, низкому энергопотреблению, высокой надежности и доступной цене, превалируют на современном автомобильном рынке датчиков и характеризуются непрерывным повышением их технологического уровня.

Все статьи цикла:

Технологии поверхностной микромеханики

Еще более низкую цену, меньший размер однокристального интегрального компонента, возможность детектирования как высоких, так и малых ускорений (включая статическое), способность детектирования в направлении всех трех измерительных осей предлагают технологии поверхностной микромеханики. Данный термин обобщает методы, которые для получения экономичной электромеханической сенсорной структуры, интегрированной со схемами обработки сигнала, включают этапы последовательного наращивания слоев различных материалов на поверхности одной и той же кремниевой подложки. Затем, с целью формирования структуры, осуществляется выборочное (селективное) травление материалов.

Технологии, именуемые поверхностными, позволяют детектировать ускорения в плоскости, параллельной поверхности кристалла. Типичный чувствительный элемент поверхностного кремниевого акселерометра — это поликремниевая микромеханическая структура, представляющая собой массу с пружинными подвесами, удерживающими массу выше подложки в горизонтальном положении и обеспечивающими сопротивление перемещению под действием ускорения (рис. 27а). В данном случае термин «поверхностный» относится к возможности детектировать ускорение в направлении, параллельном лицевой поверхности ИС. Такая структура, показанная на рис. 27 в одномерном исполнении, может быть преобразована в двумерный или трехмерный вариант.

Помимо измерительных направлений важнейшими отличиями данной технологии от объемной является наличие большого числа измерительных ячеек, типичная емкость сенсорного элемента порядка нескольких пФ (емкость объемных элементов 10–20 пФ), способность детектировать высокие ускорения с высокой разрешающей способностью, но несколько меньшая точность.

Впервые данный метод исследовала и внедрила в производство компания Analog Devices. Для производства одноосевых и двухосевых акселерометров был использован поверхностный микромеханический процесс (surface micromachining) с толщиной поликремния в 2 мкм, разработанный в начале 1980-х годов [67]. Поскольку из-за своей малой толщины сенсорная структура была чувствительна к механическим воздействиям, возникающим под их влиянием напряжениям и градиентам напряжений, которые ограничивали размер и плоскостность структур MEMS из поликремния, были разработаны альтернативные методы изготовления более прецизионных устройств: толстые поликремниевые процессы epi-poly (например, THELMA—Thick Epi-Poly Layer for Microactuators and Accelerometers, STMicroelectronics и thick silane based deposition), процессы растворения подложки (dissolved wafer process1) и процессы «кремний на изоляторе» SOI (silicon-on-insulator) [82, 83].

Рис. 27. Физические модели двух перспективных емкостных MEMS-структур датчиков ускорения
Рис. 27. Физические модели двух перспективных емкостных MEMS-структур датчиков ускорения: а — одноосевая поверхностная микромеханическая структура: 1 — элементарная измерительная ячейка; 2, 3 — фиксированные обкладки параллельно соединенных конденсаторов; 4 — подвижная обкладка (палец); 5 — инерционная масса; 6 — упругий элемент, работающий на растяжение; 7 — анкерные точки крепления; 8 — кремниевая подложка; a — ускорение в направлении измерительной оси (X); б — асимметричная одноосевая микромеханическая структура, детектирующая ускорение в направлении Z — оси датчика: 1 — кремниевая подложка; 2, 3 — фиксированные обкладки двух дифференциальных конденсаторов; 4 — элемент — крыло с подвижными обкладками (обкладкой) конденсаторов — асимметричное крыло; 5 — инерционная масса; 6 — крепление крыла к подложке; 7 — упругий элемент, работающий на кручение; a — ускорение в направлении измерительной оси (Z)

В поверхностной микромеханике выделяется два основных метода корпусирования элементов: двухкристальный и однокристальный, поскольку важной особенностью поверхностной микромеханики является ее совместимость с технологией CMOS или BiMOS-процессами, которые используются для производства электроники обработки сигнала. Analog Devices впервые создала семейство однокристальных акселерометров, интегрированных с электроникой на одном чипе. Процесс был назван iMEMS, или интегрированный MEMS (integrated MEMS), чтобы подчеркнуть интегрированную природу метода. Однокристальный метод более перспективен с точки зрения получения меньших размеров корпуса.

Компания Motorola впервые разработала и внедрила двухкристальный метод, согласно которому поверхностная микромеханика используется для формирования сенсорной структуры с проводными выводами, подключаемыми к кристаллу обработки сигнала. В настоящее время данную стратегию продолжает компания Freescale, а также ряд других компаний.

Работа в области разработки новых поверхностных кремниевых акселерометров сегодня сфокусирована в следующих областях: повышение характеристик акселерометра, повышение интеграции, добавление новых функций, интегрирование в поверхностный акселерометр новых интерфейсных компонентов. Для автоэлектроники разрабатывается концепция интегрирования в одном корпусе акселерометров и гироскопов.

Структура, показанная на рис. 27а, иллюстрирует классический способ построения одно- и двухосевых кремниевых емкостных акселерометров, детектирующих ускорение в плане ИС, впервые разработанный Analog Devices [84–85]. Для детектирования ускорения в направлении оси Z ИС компания Motorola разработала собственную емкостную структуру, которая будет рассмотрена далее. На рис. 27б показан еще один вариант — асимметричная емкостная Z-структура, которая в полностью кремниевом исполнении используется компаниями Bosch, Ford, а в объемном варианте с применением никеля — компанией Silicon Designs.

Поверхностные MEMS-акселерометры Analog Devices

Ведущие позиции на автомобильном рынке систем безопасности принадлежат компании Analog Devices Inc. (ADI). Количество акселерометров, поставленных компанией с 1991 года на автомобильный рынок, сегодня оценивается приблизительно в 200 млн. Высокий технологический уровень акселерометров ADI в сочетании с непрерывным обновлением линейки продукции, ориентированной на удовлетворение растущих потребностей самых различных маркетинговых сфер, объясняет закономерный интерес специалистов к акселерометрам Analog Devices и существование максимального числа обзорных публикаций по данной теме [86–89].

Для создания широкой номенклатуры продукции акселерометров ADXL ADI применяет уникальную технологию iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System), причем в названии акцент сделан на интегрировании на одном чипе как малых и прочных сенсорных элементов, так и расширенной обработки сигнала. Совместимость технологического процесса со стандартными методами интегрирования обеспечивает повторяемое производство устройств, выпускаемых в больших количествах и по низкой цене ($4–12). Все устройства характеризуются малым энергопотреблением и детектируют статическое ускорение.

Поверхностные iMEMS-акселерометры ADXL изготавливаются с помощью обрабатывающих методов стандартной ИС. Вслед за нанесением на подложку слоев окиси SiO2 и поверх оксидного слоя поликристаллического кремния применяются стандартные фотолитографические методы ИС. Жертвенный слой SiO2 выборочно вытравливается для освобождения поликремниевой 3D-структуры, подвешенной выше подложки (обычно на 1,6 мкм), с боковыми размерами того же порядка, и допускающей свободное перемещение в направлениях XY, а также и в Z-оси. Дифференциальная конденсаторная структура включает независимые фиксированные обкладки и обкладки, прикрепленные к подвижной массе.

Рис. 28. Технологии акселерометров Analog Devices
Рис. 28. Технологии акселерометров Analog Devices: а — микрофотография однокристальных акселерометров Analog Devices с одноосевой измерительной структурой, окруженной электроникой обработки сигнала [6]; б — увеличенное микрофотографическое изображение подвижной части датчика [6]; в — микрофотографическое изображение двухосевого акселерометра ADXL202E [67]

Типичный одноосевой акселерометр ADXL150 имеет 42 измерительные ячейки (рис. 28а–б) [4–6, 28–29, 84–85]. Дополнительные 12 ячеек используются для самотестирования: на обкладки датчика прикладываются электростатические силы, имитирующие воздействие ускорения, что позволяет верифицировать функциональность датчика.

Последовательность бороздок и отверстий в инерционной массе предназначена для осуществления газового демпфирования (рис. 28б).

Чувствительный элемент двухосевого акселерометра ADXL202E занимает область 3×2 мм (рис. 28в), остальная площадь корпуса LCC-8 (размерами 5×5×2 мм) занята обрабатывающей электроникой.

Патенты [84–85] и датчики, показанные на рис. 28а–в, служат стартовыми примерами, основным назначением которых является иллюстрация основ, заложенных в непрерывно разрабатываемые технологические решения Analog Devices.

Текущая линейка low-g акселерометров ADI, детектирующих диапазоны ±(1–20 g), является в номенклатуре продукции компании наиболее многочисленной и представлена изделиями, рассчитанными на различные диапазоны ускорений и ранжированными по чувствительности, точности и ценовому диапазону, а также по числу измерительных осей — одним высокочувствительным и высокоточным одноосевым акселерометром ADXL103 (рис. 28г), двухосевыми — например, ADXL203, ADXL213 (рис. 28д), ADXL320, ADXL210 и другими (табл. 22).

Общая особенность схемотехники акселерометров ADXL Analog Devices — фиксированные обкладки управляются прямоугольными импульсами, противоположными по фазе (смещенными на 180°). Ускорение отклоняет подвесы и разбалансирует дифференциальную считывающую структуру, формируя импульсный выход с амплитудой, пропорциональной ускорению. Демодулятор используется для выпрямления сигнала и определения направления воздействия.

Выход демодулятора затем подается на выходной усилитель, чтобы формировать с его помощью аналоговый интерфейс или далее — на модулятор рабочего цикла (DCM), чтобы получать выход ШИМ (ADXL213) и измерять ускорение посредством недорогого микроконтроллера (рис. 28д). ADXL213, в частности, предназначен для удовлетворения растущего спроса на системы автомобильной охранной безопасности, где востребованы такие характеристики датчика, как способность высокоточного детектирования наклона, температурная стабильность смещения нуля и чувствительности, малое энергопотребление. Другие области применения — электронная парковка тормозов и GPS.

Рис. 28. Технологии акселерометров Analog Devices
Рис. 28. Технологии акселерометров Analog Devices: г, д — функциональные диаграммы прецизионных одно/двухосевых low-g акселерометров ADXL103 (г) и ADXL213 (д); е — основная ниша спроса новых трехосевых акселерометров ADXL330 — сотовые телефоны; ж — функциональная диаграмма двухосевого high-g акселерометра ADXL278; з — программируемый двухосевой акселерометр/инклинометр ADIS16201; и — оценочная плата ADIS16201; к — новинка 2006-го года — программируемый в диапазоне 360°/с одноосевой инклинометр ADIS16203

Во всех акселерометрах ADI пользователю предоставлена возможность контролировать работу устройства с помощью функции самотестирования. Акселерометры Analog Devices снабжены пином ST (рис. 28г–к), который, если подключен к выводу питания, подает электростатическую силу на упругий подвес, имитирующую приложение ускорения порядка 20% от полной шкалы. Перемещение массы отслеживается измерительными ячейками. Типичное выходное изменение составляет 750 мg (750 мВ). В нормальном режиме вывод ST подсоединяется к «земле».

Первое поколение акселерометров Analog Devices отличалось сравнительно невысокой точностью, под которой в самом общем смысле подразумевалась разница между фактическим ускорением и выходным сигналом датчика. Важнейшими составляющими точности являются линейность, дрейфы чувствительности и смещения, поперечная чувствительность, а также разрешающая способность электроники обработки сигнала.

Акселерометры семейства ADXL характеризуются высокой линейностью в 0,2% (0,5% максимум) благодаря линеаризации сигнала в схеме обработки, позволяющей получать линейную зависимость напряжения на подвижных обкладках датчика от перемещения вдоль чувствительной оси. Смещение нуля и чувствительность акселерометров программируются при изготовлении, но разброс параметров при выборе датчика необходимо учитывать. Температурные дрейфы смещения и чувствительности большинства акселерометров эффективно компенсируются посредством интегрированного датчика температуры.

Поскольку инерционная масса мала, способность датчика отслеживать перемещения, соответствующие емкостным изменениям в 10–18Ф , ограничивалась также шумовым порогом электроники, который сейчас значительно снижен. Типичный шумовой порог low-g акселерометров ADXL103/ADXL203 — 110 мкg/√Гц, что позволяет отслеживать уровни сигналов в 1 мg (или 0,06° при детектировании наклона). Типичный динамический диапазон акселерометров ADI оценивается значениями порядка 70 дБ и выше, что регулируется частотной полосой фильтра.

Пользователю предоставлена возможность регулирования частотной полосы по каждой оси варьированием выходных емкостей CX, CY и CZ на выводах XOUT,YOUT и ZOUT (или XFILT и YFILT в семействе ADIS) — для снижения шумов и улучшения разрешения.

Многие устройства линейки low-g, включая вышеназванные и приведенные в таблице 2, разработаны для автомобильных систем, но сфера их применения этим не ограничивается.

В 2006 году к указанной линейке добавлен полностью интегрированный трехосевой акселерометр ADXL330 (рис. 28е) с аналоговыми выходами, пропорциональными проекциям ускорения на каждую из осей. ADXL330 (стоимость $5,45) характеризуется малым энергопотреблением — 200 мкА при 2 В. Как и большинство других микромощностных трехосевых акселерометров, ADXL330 рассчитан преимущественно на использование в сотовых телефонах (рис. 28е), ноутбуках и другой переносной электронике. В автомобильных системах указанные признаки датчика могут быть востребованы в системах навигации и охранной сигнализации.

Высокоточные high-g-акселерометры ADXL, функционирующие в диапазоне ±(20–250 g), включающие фильтр Бесселя 2-го порядка, адаптированы для измерения больших статических ускорений (гравитационных) и динамических воздействий (вибрации и ударов). Их основное предназначение — управление системами фронтальных и боковых подушек безопасности. Текущая линейка представлена тремя устройствами 4-го поколения: одноосевым ADXL78 ($7) с опциями детектирования диапазонов полной шкалы ±35g, ±50g и ±70g, одноосевым ADXL193 (±120–250 g; $7,7) и двухосевым ADXL278 (±35 g/±35 g, ±50 g/ ±50 g или ±70 g/±35 g; $10,5) (рис. 28ж). Последнее поколение датчиков представляет собой устройства сервотипа, которые используют электрическую обратную связь для нулевой балансировки массы с целью улучшения точности и стабильности.

Введение семейства интеллектуальных акселерометров iSensor (intelligent Sensor) позволило пользователям лучше согласовывать акселерометры Analog Devices с условиями работы, что важно в высокообъемных системах, чувствительных к цене. Линейка интеллектуальных акселерометров ADIS предлагает дополнительные, по сравнению с iMEMS ADXL, признаки и гибко настраиваемую функциональность, реализованную во встроенной схеме обработки сигнала.

ADIS16003, ADIS16006 (обе модели в небольших объемах стоимостью $17,75), ADIS16201 ($28) — интеллектуальные двухосевые акселерометры/инклинометры с интегрированным датчиком температуры и SPI-интерфейсом. ADIS16201 (рис. 28з) — двухосевой акселерометр, программируемый при производстве и предлагающий исчерпывающий набор интегрированных элементов, которые позволяют детектировать наклон и ускорение, максимально упрощая системный дизайн: конфигурируемая функция alarm, 12-битный АЦП, 12-битный ЦАП, конфигурируемый цифровой порт ввода/вывода, цифровая функция самотестирования, два режима управления питанием через SPI-порт (программируемый sleep-режим и режим пониженного энергопотребления).

ADI поддерживает внедрение всех датчиков в проекты оценочными платами. На рис. 28и показан вид платы ADIS16201/PCB, основным назначением которой является упрощение доступа к ADIS16201 посредством стандартных соединителей J1 и J2.

Будущие акселерометры линейки ADIS предполагают развитие и дальнейшую интеграцию схемных компонентов, ответственных за калибровку и тюнинг, ASIC-интерфейсы, цифровой ввод/вывод, интеллектуальность и программирование, управление питанием, расширенную обработку выходного аналогового сигнала, беспроводную связь и добавление новых функций.

В апреле 2006 года ADI анонсировала подготовку производства программируемого одноосевого инклинометра ADIS16203 (рис. 28к), который позволяет детектировать угол в диапазоне 360°/с с чувствительностью 10 LSB/°/с. ADIS16203 поддерживает батарейную работу, обеспечивает выходной интерфейс в SPI-формате и выпускается в компактном корпусе LGA (9×9 мм).

Технологии Freescale Semiconductor

Freescale Semiconductor — другой широко известный и высокообъемный поставщик полупроводниковых компонентов на автомобильный рынок, включая поверхностные емкостные MEMS-акселерометры. Общий объем продаж компании за 2004 год оценивался в $5,7 млрд.

Стандартный интегральный акселерометр Freescale представляет собой емкостную микромеханическую поверхностную структуру, называемую G-ячейкой, объединенную в корпусе SOIC-16 или SOIC-20 с КМОП-схемой обработки сигнала с ASIC-функциями, включая усиливающую и обрабатывающую электронику, ФНЧ (фильтр Бесселя 4-го, 2-го или, в недорогих устройствах, 1-го порядка), схему температурной компенсации, как правило, с аналоговым выходом [90–92].

G-ячейка представляет собой микромеханическую структуру из поликремния, в которой подвижная обкладка, закрепленная в нескольких точках на подложке, способна перемещаться под действием ускорения между неподвижными верхним и нижним электродами (рис. 29а) [90]. Данный принцип реализован, например, в двухкристальном Z-акселерометре M1220D и других устройствах (рис. 29 б, в).

G-ячейка, сформированная посредством стандартных технологий поверхностной микрообработки — литографии и травления, герметично уплотняется на уровне подложки объемной микромеханической подложкой-колпачком, что создает среду, обеспечивающую газовое демпфирование и защиту от механических ударов при перегрузках.

В отличие от акселерометров Analog Devices, стандартной чувствительной осью акселерометров Freescale является ось Z, перпендикулярная лицевой поверхности ИС, но сегодня разработаны технологии производства акселерометров, чувствительных в плане X (MMA2200W, MMA2201D, MMA2202D), по двум — XY (MMA3201D) — или по всем трем осям X, Y и Z (новинка 2005 года MMA7260Q) [90–92]. Некоторые технические данные приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные технические данные поверхностных емкостных акселерометров различных производителей –∗ Нет данных или данные не специфицированы производителем
Таблица 2. Сравнительные технические данные поверхностных емкостных акселерометров различных производителей
Полную версию таблицы можно посмотреть на сайте www.finestreet.ru/_pub/table2.xls
Полную версию таблицы можно посмотреть на сайте www.finestreet.ru/_pub/table2.xls

CMOS ASIC, функционирующая на основе методов переключаемого конденсатора, извлекает сигнал ускорения, используя фильтрацию. Нулевое смещение, чувствительность и настройки фильтра задаются при производстве изделия; в дальнейшем для работы устройства потребуется только несколько внешних пассивных компонентов, без возможности регулирования с их помощью частоты среза фильтра. Все новые акселерометры Freescale детектируют статическое ускорение, предоставляя на выходе датчика среднеквадратическое напряжение (половину напряжения питания). Все устройства, рассматриваемые далее в рамках этой публикации, согласно их спецификациям детектируют статическое ускорение, и в дальнейшем внимание на данном аспекте не акцентируется.

Рис. 29. Технологии акселерометров Freescale Semiconductor
Рис. 29. Технологии акселерометров Freescale Semiconductor: а — микромеханическая измерительная ячейка Z — акселерометра: 1 — подложка; 2 — нижняя фиксированная обкладка; 3 — сенсорная (подвижная обкладка); 4, 5, 6, 7 — консоли — подвес обкладки 3; 8 — верхняя неподвижная обкладка; 9 — стенка; 10 — опорные столбики; 11 — области размещения опор; б — концепция Freescale двухкристального акселерометра на основе поверхностной микромеханической структуры; в — функциональная диаграмма одноосевого low-g Z — акселерометра MMA1220; г — оценочная плата для акселерометров MMA1250D, MMA1260D, MMA1270D и MMA2260D; д — функциональная диаграмма интеллектуальных акселерометров серии MMA6200
Рис. 29. Технологии акселерометров Freescale Semiconductor
Рис. 29. Технологии акселерометров Freescale Semiconductor: е — трехосевой акселерометр MMA7260Q

Все интегральные устройства Freescale доступны в 16-выводном или 20-выводном корпусе SOIC, а также в малом корпусе QFN.

В рамках стандартных поставок новых однокристальных устройств Freescale не отказалась от своей первоначальной стратегии разделять сенсорную часть и ASIC, хотя вопрос создания однокристальных устройств на основе рассматриваемой технологии всесторонне прорабатывался. Двухкристальное решение полезно, если требуется расширить функциональность акселерометра. Интегрированное устройство способно обеспечивать детектирование ускорения, регулировку напряжения, функциональность микроконтроллера и необходимые проводные коммуникационные протоколы, гибко и в кратчайшие сроки подстраиваясь под требования потребителя, являясь по существу законченной измерительной системой в одном корпусе — system-in-a-package (SIP).

Акселерометры Freescale обеспечивают функции самотестирования для верификации функциональности акселерометра после его инсталляции. (Этот признак важен, например, для систем подушек безопасности.) Для самотестирования (приложения электростатических сил, отклоняющих подвижную пластину) в G-ячейке предназначена четвертая обкладка.

Еще одной особенностью является схема обнаружения сбоев и защелкивание при обнаружении событий, таких как низкое напряжение, малая частота тактирования, нечетность EEPROM.

Freescale осуществляет поддержку внедрения акселерометров в продукцию конечного производителя, выпуская оценочные платы, созданные в помощь разработчику и предназначенные для системного дизайна — проверки выбора наилучшего положения для размещения акселерометра и оценки его функционирования. На рис. 29г показана плата для быстрого монтажа и оценки low-g-акселерометров, с кнопкой самотестирования, выключателем и выходным соединителем.

Недорогие и высокоточные акселерометры Freescale находят широкое применение в системах управления подушками безопасности. Датчики фронтальных и боковых подушек Freescale разрабатываются для реализации как одноточечной, так и многоточечной архитектуры (посредством многоточечных сателлитных акселерометров, размещенных по периметру транспортного средства).

Акселерометры MMA3201D (двухосевые, детектируемый диапазон ±40 g), MMA2300D (диапазон ускорений ±250 g, чувствительны в X-оси) и MMA1200 (±47 g, чувствительны в Z-оси), включающие ФНЧ 4-го порядка, рекомендованы к использованию в системах подушек безопасности — сферы, потребляющей датчики ускорения в наиболее высоких объемах (в небольших объемах стоимость всех устройств составляет $5,68).

Второе лидирующее направление в автомобильной индустрии — детектирование событий rollover — предполагает в будущем значительное увеличение спроса на low-g-акселерометры.

Для этих и других задач компанией выпущена линейка одноосевых датчиков MMA1220D (±8 g), MMA1250D (±5 g), MMA1270D (±2,5 g), MMA1260D (±1,5 g), MMA2260D (±1,5 g; X) и новая недорогая серия XY-акселерометров в экономичном корпусе QFN-16 MMA6200 (рис. 29д), включающая датчики MMA6260Q, MMA6261Q, MMA6262Q, MMA6263Q (±1,5 g), MMA6231Q и MMA6233Q (±10 g). Новые устройства серии 6200 стоят приблизительно $3,60.

Продолжая стратегию в создании экономичных и высокоточных устройств, Freescale в 2005 году представила трехосевой (X, Y, Z) полностью интегрированный low-g-акселерометр MMA7260Q (рис. 29е) в малом корпусе QFN, имеющий чувствительность, выбираемую из значений, соответствующих диапазону детектируемых ускорений 1,5/2/4/6 g, стоимостью около $5,67. Дополнительные отличительные признаки данной ИС: режим sleep mode на токе в 3 мкА, в рабочем режиме малый рабочий ток 500 мкА, стоимостная эффективность, быстрое время срабатывания при включении power-up (порядка 1,0 мс) главным образом, направлены на удовлетворение потребностей огромной рыночной ниши сотовых телефонов. Эти же свойства предполагают использование данной ИС в системах автомобильной навигации, охранной сигнализации или других электронных устройствах автомобильного назначения.

Вслед за MMA7260Q Freescale разработала трехосевой датчик MMA7261Q с расширенной линейкой переключаемых диапазонов 2,5/3,3/6,7/10 g, а также два двухосевых датчика, детектирующих переключаемые диапазоны 1,5/2/4/6 g и предлагаемые в 16-выводных корпусах PFN — MMA6280Q (XZ) и MMA6270 (XY).

Микромеханические технологии акселерометров Bosch

С 1978 года копания Robert Bosch GmbH производит акселерометры систем подушек безопасности. Первое поколение устройств было сформировано датчиками пьезокерамического типа. С 1997 года компания перешла на выпуск датчиков 2-го поколения — емкостных MEMS-устройств с увеличенной функциональностью, уменьшенных размеров (SOIC16), массово выпускаемых на основе собственной поверхностной микромеханической технологии Bosch.

Рис. 30. Технологии акселерометров Bosch
Рис. 30. Технологии акселерометров Bosch: а — микрофотографическое изображение поверхностной MEMS-структуры; б — иллюстрация рабочего принципа горизонтальной поверхностной микроструктуры; в — вертикальная асимметричная поверхностная структура; г — двухкристальная концепция акселерометров Bosch и микрофотографическое изображение подвижной структуры

Для формирования подвижной структуры акселерометров Bosch использует поликремниевый слой толщиной 10 мкм (рис. 30а).

Методы поверхностной микромеханической обработки на кремнии обеспечивают возможность детектирования ускорения в направлениях X, Y, и Z в измерительном диапазоне порядка 1–200 g (рис. 30 а–в).

Датчики ускорения Bosch реализуют дифференциальный емкостной измерительный принцип. Масса и электроды уплотняются на уровне подложки с использованием покрывающей объемной микромеханической подложки. Размещение сенсорного элемента и ASIC основано на двухкристальной концепции.

В X-элементе (рис. 30б) боковое ускорение отклоняет массу, подвешенную на пружинах (детали микромеханического элемента показаны на рис. 30а). В Z-элементе (рис. 30в) ускорение в вертикальном направлении будет образовывать наклон массы, в сторону которой смещен центр тяжести подвижного крыла.

Производство акселерометров Bosch включает любые уровни интеграции — от компонента, модуля (компонента, размещенного на плате) до законченного изделия (рис. 30, г–е).

Линейка интегральных акселерометров в стандартных корпусах PLCC28 для подушек безопасности представлена: аналоговыми датчиками — одноосевыми SMB05x и двухосевыми SMB06x (±35 g или ±50 g), семейством ШИМ — одноосевыми SMB120 (±50 g), SMB124 (±100 g), SMB172 (±200 g). В корпусах SOIC16 выпускаются одноосевые SMB25x и двухосевые SMB26x аналоговые акселерометры (±35 g, ±50g или ± 70 g, ± 100 g, ±200 g), в том числе двухосевой SMB264 (X: ± 70 g и Y:± 20 g), акселерометры ШИМ — SMB180 (±50 g или ±100 g;) и SMB190 (±200 g). Некоторые технические данные приведены в таблице 2.

Рис. 30. Технологии акселерометров Bosch
Рис. 30. Технологии акселерометров Bosch: д — линейка продукции MEMS-акселерометров Bosch — интегральные компоненты и модули; е — функциональная диаграмма акселерометров систем подушек безопасности типа SMB050; ж — новый трехосевой акселерометр SMB360

SMB05х и SMB06x, функциональная диаграмма которых показана на рис. 30е (внешний вид устройств показан также на рис. 2б в первой части статьи), представляют собой одно- или двухосевые датчики линейного ускорения, возникающего при авариях. Применение дифференциальной емкостной схемы с двумя конденсаторами позволяет снизить нелинейность сигнала. Предусмотрена защита от ударов (чрезмерного ускорения) и прямого контакта между электродами. Механическая чувствительность регулируется геометрической формой пружин. Изменения в емкости C1 и C2 регистрируются ASIC, подключаемой к сенсорному элементу, и преобразовываются в соответствующее напряжение преобразователем «емкость–напряжение».

Это лишь часть всей линейки продукции акселерометров Bosch. Компанией выпускаются и другие устройства, например, периферийные датчики SMB120 (±100 g)/SMB170 (± 220 g), low-g-акселерометры SMB110 (± 1…± 3,5 g) и т. д. Более подробную информацию можно получить в [49] и на сайте www.semiconductors.bosch.de.

Интегральные акселерометры Bosch включают интегрированный фильтр Бесселя 2-го порядка, обеспечивают малый дрейф параметров (допуски 5%), температурный диапазон –40…+125 °C, возможность корпусирования в стандартных корпусах SMD. В устройствах реализованы функции самотестирования.

Следуя общим тенденциям в развитии акселерометров, специалисты Bosch Sensortec разработали трехосевой акселерометр SMB360 (рис. 30ж), характеризующийся высокими рабочими характеристиками и увеличенной надежностью (табл. 2). SMB360 разработан для систем с малым энергопотреблением (сотовых телефонов), а также предназначен для повышения функциональности автомобильных систем, например охранной сигнализации.

Технологии акселерометров Kionix

С 1993 года Kionix, Inc. является глобальным лидером в области разработки и производства кремниевых MEMS-акселерометров.

С 1994 года Kionix принадлежат эксклюзивные права на использование плазменного микромеханического процесса глубинного травления кремния, разработанного совместно с учеными Корнелльского университета (Cornell) [93–95] (рис. 31а). Сенсорный элемент акселерометра производится из однокристального кремния посредством технологии глубинного ионного травления Deep Reactive Ion Etch (DRIE).

Данная технологическая платформа, объединенная со стандартными методами производства ИС (ASIC), позволяет производить интегральные акселерометры с высокими рабочими характеристиками, отличающиеся низкой ценой (рис. 31б, табл. 2). Сенсорный элемент защищается от окружающей среды на уровне подложки герметичной подложкой — колпачком (рис. 31в).

Kionix выпускает широкую линейку акселерометров с аналоговыми и цифровыми выходами (примеры приведены в табл. 2), включая одноосевые (X, по специальному заказу Y, Z), двух- (XY, по заказу YZ или XZ) и трехосевые датчики, ранжированные от устройств low-g-диапазона до акселерометров, детектирующих ускорения high-g-уровней, а также гироскопы. Текущая емкость производственных линий данного назначения составляет 15 млн единиц в год.

Все ИС доступны в малых корпусах DFN размерами 5×5×1,8 мм и 5×5×1,2 мм, а также в стандартных корпусах SOIC (рис. 31, г–д). Технологии корпусирования open-cavity package, предполагающие размещение сенсорной подложки в полом пластмассовом корпусе типа DFN, обеспечивают более высокие рабочие характеристики, в сравнении со стандартным корпусом SOIC.

Напряжение питания многих датчиков варьируется от 2,7 до 5,25 В (программируется при производстве). Смещение и чувствительность для всех диапазонов ±1,5… ±6,0 g также программируются при производстве. Частотная полоса (уровень шумов) регулируется пользователем посредством подключения различных внешних емкостей к специальным выводам ИС, включающей ФНЧ (рис. 31, е–з, к). Линейность устройств является очень высокой (±0,1%; ± 0,5% максимум).

В 2005 году компания ввела в производство тончайший на тот момент в мире (1,2 мм толщиной) трехосевой акселерометр KXP74 с SPI-интерфейсом (рис. 31, г, з). Кроме сотовых телефонов и PDA, малый уровень шума (<175 мкg/√Гц, достигается порядка 70 мкg/√Гц) предполагает использование датчика в автоэлектронике — для прецизионной коррекции наклона компасов.

Для поддержки внедрения акселерометров в новые проекты Kionix выпускает демонстрационные платы и наборы разработчика (рис. 31и).

Рис. 31. Технологии акселерометров Kionix
Рис. 31. Технологии акселерометров Kionix: а — микрофотографическое изображение поверхностной MEMS-структуры, изготовленной из однокристального кремния методами DRIE; б — сенсорный элемент и ASIC, размещенные на проводном фрейме перед корпусированием; в — герметичное уплотнение сенсорного элемента кремниевой подложкой — колпачком; г, д — технологии корпусирования: г — трехосевой акселерометр KXP74 с SPI-интерфейсом в корпусе DFN размерами (5×5×1,2) мм; д — аналоговые акселерометры/инклинометры серии KXM60 в стандартном корпусе SOIC-16 е — функциональная диаграмма одноосевых аналоговых акселерометров серии KXE00, детектирующих диапазоны ±10…±40 g, программируемые при изготовлении; ж — функциональная диаграмма двухосевых акселерометров серии KXM60; з — функциональная диаграмма малошумящего цифрового трехосевого датчика серии KXP74; и — оценочная плата акселерометра KXP74; к — функциональная диаграмма цифрового акселерометра KXP84 с интерфейсом I2C или SPI

Трехосевой акселерометр серии KXP84 (рис. 31к) разработан для того, чтобы обеспечивать высокий уровень отношения сигнал/шум (SNR) и температурную стабильность. Напряжение, получаемое в результате детектирования емкостных изменений, оцифровывается интегрированным АЦП, обеспечивая выходной интерфейс в формате I2C или SPI, исключая необходимость внешнего АЦП, что снижает системную цену.

Технологии акселерометров STMicroelectronics

STMicroelectronics — ведущий поставщик интеллектуальных MEMS-устройств на рынок портативных электронных устройств, компьютеров и периферии, телекоммуникаций и автомобильных систем. Все датчики STMicroelectronics подходят как для батарейной работы, так и для автомобильных задач — систем охранной сигнализации и инерциальной навигации, а также мониторинга вибрации.

Сенсорный элемент, способный детектировать ускорение, производится с использованием процесса, получившего название THELMA (Thick Epi-Poly Layer for Microactuators and Accelerometers), позволяющего создавать поверхностные микромеханические структуры, прикрепляемые к подложке в нескольких анкерных точках, со способностью перемещаться в плане структуры [67, 96–99]. Для совместимости со стандартными методами корпусирования верх структуры покрывается колпачком, предохраняющим ее от блокировки подвижных частей при корпусировании. Эквивалентная схема сенсорного элемента представляет собой полумост, разбаланс которого при ускорении измеряется посредством интеграции заряда чувствительного конденсатора, питаемого импульсами напряжения. Номинальное значение рабочей емкости — несколько пФ, под действием ускорения максимальные вариации емкостной нагрузки составляют до 100 пФ.

STMicroelectronics выпускает несколько семейств двухосевых (LIS2L02, LIS2L06 и LIS2LV02) и трехосевых интегральных линейных акселерометров (LIS3L02, LIS3L06 и LIS3LV02), комбинирующих сенсорный чип с чипом ASIC, с аналоговым или цифровым интерфейсом SPI/I2C (текущая линейка датчиков, рекомендованных для новых проектов, отражена в табл. 2).

В 2005 году компания STMicroelectronics пополнила семейство двухосевых аналоговых датчиков новыми LIS2L02AL и LIS2L06AL ($2,8 и $3,1 в количестве более 10 тыс. штук) — ультракомпактными линейными low-g-акселерометрами в корпусах LGA-8 размером 5×5×1,6 мм. LIS2L02AL рассчитан на работу в диапазоне ±2 g, LIS2L06AL обеспечивает переключаемые диапазоны детектируемых ускорений ±2 g и ±6 g, включая статическое ускорение.

Ключевой признак новых устройств — очень малый шум (30 мкg/√Гц), что обеспечивает типичное разрешение в 0,3 мg и малое энергопотребление (ток потребления 850 мкА при напряжении 3,3 В). Чувствительность и смещение калибруются при производстве изделия. Дополнительный признак, реализованный в датчиках STMicroelectronics, — встроенная функция самотестирования, позволяющая верифицировать функциональность механической и электрической частей устройства.

Рис. 32. Технологии акселерометров STMicroelectronics
Рис. 32. Технологии акселерометров STMicroelectronics: а — технологии корпусирования акселерометров ST: ультракомпактные корпуса LGA-8 размерами (5×5×1,6) мм; б — функциональная диаграмма семейства трехосевых аналоговых акселерометров LIS3L02; в — новый трехосевой цифровой ультратонкопрофильный датчик LIS3LV02DL с интерфейсом I2C или SPI; г — цифровой угловой одноосевой MEMS акселерометр LIS1R02; д — автомобильные системы — значительная рыночная ниша для сбыта акселерометров

В 2005 году компания STMicroelectronics также представила трехосевые акселерометры в компактных корпусах LIS3LV02DQ (QFPN-28, 7×7×1,8 мм), LIS3L02AL (рис. 32б) и LIS3L06AL (LGA-8), характеризующиеся пониженным энергопотреблением и шумом, не превышающим 50 мкg/√Гц. Акселерометр LIS3LV02DQ обеспечивает интерфейс SPI/I2C, датчики LIS3L02AL ($4,25 в объеме партии свыше 10 тыс. штук), LIS3L06AL (4,65$) — аналоговый выход. LIS3L02AL рассчитан на работу в диапазоне ±2 g, датчики LIS3LV02DQ и LIS3L06AL обеспечивают динамически переключаемые диапазоны детектируемых ускорений ±2 g и ±6 g.

В 2006 году портфолио акселерометров ST пополнилось трехосевым ультратонкопрофильным датчиком LIS3LV02DL в 16-выводных корпусах LGA и QFN28 (толщиной 1 мм) с цифровым интерфейсом SPI/I2C (рис. 32в). Цифровой выход с программируемым выходным разрешением в 12 или 16 бит обеспечивает гибкость связи с чипом, осуществляя прямую передачу сигнала к микроконтроллеру без АЦП на входном канале и другим устройствам. Другие признаки датчика, характерные для большинства новых устройств STMicroelectronics, — установка флагов при обнаружении свободного падения (Free-Fall detection)3 и при детектировании ускорения выше запрограммированных порогов, частотная полоса, регулируемая посредством программного обеспечения, и обнаружение направления ускорения.

LIS3LV02DL обеспечивает переключаемые диапазоны детектируемых ускорений ±2 g и ±6 g. В объемах массового производства, которое запланировано на март 2006 года, цена LIS3LV02DL составляет всего $4.

Все линейные акселерометры ST Microelectronics характеризуются высокой температурной стабильностью, малыми допусками смещения, высокой устойчивостью к вибрациям и ударам до 10 000 g.

STMicroelectronics также выпускает цифровой угловой одноосевой MEMS-акселерометр LIS1R02 (рис. 32г), основным назначением которого является детектирование углового ускорения вокруг оси Z чипа — преимущественно для компенсации угловых ударов и вибрации головок чтения /записи жестких дисков.

LIS1R02 в корпусе SO24 основан на SD-архитектуре получения цифрового выходного сигнала и характеризуется высокой чувствительностью порядка 2,5 рад/с2 в диапазоне 200 рад/с2.

В автомобильных системах угловые акселерометры, которые разрабатываются и функционируют аналогично линейным, востребованы в модулях детектирования крена (rollover). В разработке находится LIS1Y08 — новый угловой акселерометр Yaw angular accelerometer, как следует из названия, предназначенный специально для автомобильных систем (рис. 32д).

Технологии акселерометров Delphi

Компания Delphi Corp. разработала собственную технологию производства емкостных MEMS-акселерометров и выпускает несколько семейств датчиков под брендом INTELLEK: семейства акселерометров low-g, Dual Axis, а также угловой акселерометр G2RV (для детектирования углового ускорения вокруг оси Z ИС) [100–103]. Полностью построенные на кремнии интегральные сенсорные модули включают MEMS-ячейку, объединенную с ASIC в стандартном 20-выводном корпусе. Внешний вид, идентичный для всех устройств, показан на рис. 4г в первой части данной публикации, некоторые технические данные приведены в таблице. 2. Функционирование линейного акселерометра иллюстрирует рис. 33.

Питание датчиков осуществляется от источника 5 В. Дополнительная функциональность — возможность самотестирования, которая симулирует фактическое ускорение при подаче питания, что отслеживается акселерометром.

Акселерометры Delphi рекомендованы для широкого круга задач. Датчики low-g диапазонов ±0,75…±3 g предназначены для систем стабилизации, обнаружения крена, наклона в противоугонных системах.

Развивая концепцию детектирования движения посредством smart-акселерометров, способных предоставить дополнительную информацию о событиях для систем высокого уровня, компания Delphi также производит High-g и Dual Axis линейные акселерометры — дистанционные датчики для систем детектирования аварий и активации ограничителей.

Угловой акселерометр G2RV измеряет угловое ускорение вокруг оси Z датчика, формируя на выходе устройства аналоговый выход, пропорциональный ускорению. Датчик характеризуется высокой устойчивостью к механическим воздействиям и вибрации оси. Диапазоны детектирования ±500…±2000 рад/с2 программируются при изготовлении.

Рис. 33. Линейный двухосевой акселерометр Delphi
Рис. 33. Линейный двухосевой акселерометр Delphi: 1 — пальцы инерционной массы; 2 — фиксированные обкладки; 3, 4, 5, 6 — фиксированные электроды; 7, 8, 9, 10 — входы для тактирования электродов; 11 — изоляторы электродов; 12 — выход сигнала с инерционной массы; 13 — центральный элемент инерционной массы, прикрепленный к подложке; 14 — соединители центрального элемента с опорными плечами; 15 — опорные плечи

Заключение

Таким образом, важнейшими преимуществами емкостных акселерометров являются:

  • высокая чувствительность;
  • чувствительность к статическому ускорению, например, гравитации или наклону.

Отрицательными аспектами являются:

  • ограниченный высокочастотный диапазон;
  • относительно высокий порог шума, ограничивающий разрешение.

Новые MEMS-акселерометры становятся более «умными», более надежными, компактными и недорогими. Поверхностные кремниевые MEMS-структуры — более конкурентноспособное замещение пьезоэлектрических и объемных MEMS-устройств с точки зрения обеспечиваемых ими возможностей корпусирования, рабочих характеристик и цены.

Преимущества поверхностного метода — универсальность дизайна, возможность получения однокристальной трехосевой сенсорной структуры, объединяемой в интегральном корпусе с ASIC. Низкие уровни цен и высокий технический уровень поверхностных акселерометров предполагает их использование в новых системах. Для инженеров существует возможность разрабатывать новые устройства на их основе или расширять функциональность созданных ранее.

Параллельно существуют и развиваются некоторые обособленные, не полностью кремниевые и не только емкостные, но не менее интересные и перспективные технологии, коммерчески доступные решения и элементная база которых послужат объектом анализа в следующей части публикации.

1 Процесс растворения подложки начинается со слоя, допированного бором, на кремниевой подложке. Гребни и пружины вытравливаются в слое, допированном бором, и затем слой, останавливающий травление, анодно присоединяется к стеклянной подложке с металлическими поверхностными электродами. Затем объем подложки растворяется, оставляя на стеклянной подложке только однокристальную структуру, допированную бором, толщиной примерно 20 мкм.

2 Более подробную информацию можно получить на сайте компании www.analog.com и в публикациях [86–89].

3 Портативные устройства, такие как ноутбуки или MP3-плееры, подвержены риску падения, при этом головки жесткого диска могут скользить, стирая данные. Проблема решается при помощи трехосевого MEMS-акселерометра, позиционируемого обычно на материнской плате, который включает защиту данных, подавая сигнал парковки головок при обнаружении ускорения.

Литература

  1. Semiconductor dynamical quantity sensor device having electrodes in Rahmen structure. US Patent 6 151 966. Опубл. 28.09.2000. (Denso Corporation)
  2. Method for microfabricating structures using silicon-on-insulator material. US Patent 6 946 314. Опубл. 20.09.2005 (The Charles Stark Draper Laboratory, Inc.)
  3. Monolithic micromechanical apparatus with suspended microstructure. US Patent 5 847 280. Опубл. 08.12.1998 (Analog Devices, Inc.)
  4. Monolithic micromechanical apparatus with suspended microstructure. US Patent 6 192 757. Опубл. 27.02.2001 (Analog Devices, Inc.)
  5. Волович Г. Интегральные акселерометры. // Компоненты и технологии. 2002. № 1.
  6. Липень А. Монолитные акселерометры Analog Devices ADXL150/250. // Электронные компоненты. 2003. № 2.
  7. Ларионов Д. Акселерометры компании Analog Devices. // Электронные компоненты. 2005. № 11.
  8. Власенко А. Микромеханические датчики Analog Devices iMEMS: эволюция продолжается. // Компоненты и технологии. 2002. № 6.
  9. Semiconductor accelerometer having reduced sensor plate flexure. US Patent 5 814 727. Опубл. 29.09.1998 (Motorola, Inc)
  10. Differential capacitor structure. US Patent 6 215 645. Опубл. 10.04.2001. (Motorola, Inc)
  11. Sensor Device Data. DL200. Freescale Semiconductor Device Data Rev. 6. 01.07.2005. www.freescale.com/sensors
  12. Micromechanical accelerometer for automotive applications. US Patent 6 149 190. Опубл. 21.11.2000 (Kionix, Inc.)
  13. Microelectromechanical accelerometer for automotive applications. US Patent 6 199 874. Опубл. 13.03.2001 (Kionix, Inc., Cornell Research Foundation Inc.)
  14. Sensor for measuring out-of-plane acceleration. US Patent 6 792 804. Опубл. 21.09.2004 (Kionix, Inc.)
  15. Integrated sensor having plurality of released beams for sensing acceleration. US Patent 6 058 778. Опубл. 09.05.2000 (STMicroelectronics, Inc.)
  16. Process for manufacturing high-sensitivity accelerometric and gyroscopic integrated sensors, and sensor thus produced. US Patent 6 184 051. Опубл. 06.02.2001 (STMicroelectronics, Inc.)
  17. Process for manufacturing high-sensitivity capacitive and resonant integrated sensors, particularly accelerometers and gyroscopes, and sensors made therefrom. US Patent 6 184 052. Опубл. 06.02.2001 (STMicroelectronics, Inc.)
  18. Process for manufacturing integrated devices comprising microstructures and associated suspended electrical interconnections. US Patent 6 469 330. Опубл. 22.10.2002 (STMicroelectronics, Inc.)
  19. Deep reactive ion etching process and microelectromechanical devices formed thereby. US Patent 6 500 348. Опубл. 31.12. 2002 (Delphi Technologies, Inc.)
  20. Deep reactive ion etching process and microelectromechanical devices formed thereby. US Patent 6 685 844. Опубл. 03.02.2004 (Delphi Technologies, Inc.)
  21. Microfabricated linear accelerometer. US Patent 6 761 070. Опубл. 13.06.2004 (Delphi Technologies, Inc.)
  22. Balanced angular accelerometer. US Patent 6 718 826. Опубл. 13.04.2004 (Delphi Technologies, Inc.)

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке