Новые датчики ускорения (акселерометры) компании STMicroelectronics

Большинство интегральных акселерометров производится по технологии MEMS (микроэлектромеханических систем) и представляет собой датчики линейного ускорения. В этом качестве они используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Эти устройства находят широкое применение на транспорте, в медицине, промышленных системах измерения и управления, инерциальных системах навигации. Особенную долю рынка MEMS-акселерометров составляют компьютерные и коммуникационные устройства. Так, например, смартфоны компании Nokia построены на основе чипа компании STMicroelectronics модели LIS302DL.

Сегодня на рынке MEMS-акселерометров доминирует большая тройка производителей: Analog Devices, Freescale и STMicroelectronics.

Компания STMicroelectronics успешно развивает свою собственную технологию производства MEMS на базе поликристаллического кремния. Сенсорный элемент датчиков ST, способный детектировать ускорение, производится с использованием процесса, получившего название THELMA (Thick Epi-Poly Layer for Microactuators and Accelerometers), который позволяет создавать поверхностные микромеханические структуры, прикрепляемые к подложке в нескольких анкерных точках и способные перемещаться в плане структуры. 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 пикофарад, под действием ускорения максимальные вариации емкостной нагрузки составляют до 100 пФ [1]. Основные этапы развития и особенности технологии MEMS THELMA STMicroelectronics подробно изложены в трудах специалистов компании [3].

Акселерометры STMicroelectronics выпускаются в малоразмерных корпусах, в которые интегрированы сенсорный элемент и кристалл ASIC с аналоговым или цифровым интерфейсом SPI/I²C. Текущая линейка акселерометров STMicroelectronics, рекомендованных для новых проектов (табл. 1), постоянно пополняется новыми изделиями, отражающими потребности рынка. В таблице красным цветом выделены новинки 2008 г., которые далее мы рассмотрим подробнее.

STMicroelectronics производит двух- и трехосевые линейные акселерометры двух видов — с аналоговым (рис. 1) и цифровым выходом (рис. 2).

Особенности датчиков с аналоговым выходом:

• аналоговый выход и дополнительный мультиплексированный выход;
• 2 или 3 чувствительные оси;
• устанавливаемый пользователем диапазон измерения: ±2,0 или ±6,0 g;
• энергосберегающий режим: <10 мкА;
• разрешающая способность выше 0,5 мg;
• низкий ток потребления: <1 мА;
• встроенная схема самотестирования;
• широкий диапазон температур: –40…85 °C;
• заводская калибровка параметров;
• высокая стрессоустойчивость: до 10 000 g;
• высокие температурная стабильность и срок службы;
• стандартные и сверхминиатюрные корпуса.

Особенности датчиков с цифровым выходом:

• I²C/SPI-интерфейсы;
• программируемый пользователем диапазон измерения и скорость передачи данных;
• разрешающая способность лучше 1,0 мg (12-битный АЦП);
• возможность выхода из спящего режима при заданном пользователем пороговом ускорении;
• широкий диапазон температур: –40…85 °C;
• заводская калибровка параметров;
• высокая стрессоустойчивость: до 10 000 g;
• высокие температурная стабильность и срок службы;
• сверхминиатюрные корпуса.

В апреле 2008 года номенклатура датчиков STMicroelectronics пополнилась двумя новыми акселерометрами с программируемым диапазоном измерений ±2/ ±6 g в корпусах типа LGA размером 4×4×1,5 мм, для приложений, где требуются малые размеры и высокое качество.

Двухосевой LIS244ALH и трехосевой LIS344ALH акселерометры функционируют в режиме малого потребления, предлагают высокую точность и разрешение, что особенно важно при батарейном питании. Аналоговые выходы обеспечивают прямые измерения внешних воздействий, что позволяет разработчикам оптимизировать внешнюю фильтрацию и аналогово-цифровое преобразование. Выход микросхем имеет заводскую калибровку по чувствительности, но в то же время допускается окончательная калибровка в составе изготавливаемого прибора. Устройства имеют встроенную функцию самотестирования, которая проверяет функционирование самих датчиков, а также встроенный интерфейс, гарантирующий заявляемые параметры.

Оба устройства обеспечивают решения для обнаружения движения в приложениях, требующих минимальных размеров. Это могут быть сотовые телефоны, переносные аудиои видеопроигрыватели, цифровые фото- или видеокамеры, персональные навигационные устройства. В подобных приборах возможно использование режимов, включающих определение свободного падения, интеллектуальный интерфейс пользователя и управление питанием, основанное на анализе движения, которое могло бы перевести прибор в спящий режим, в зависимости от его ориентации на поверхности. Дополнительные приложения могут включать в себя интерактивные игровые терминалы, противоугонные системы, спортивное оборудование и устройства из области медицинского оборудования. Широкий спектр диапазона рабочей температуры от −40 до +85 °С совместно с устойчивостью против удара при ускорении до 10 000 g гарантирует надежное функционирование датчиков при различных условиях использования.

В конце 2007 года компания STMicroelectronics, являющаяся одним из лидеров в производстве MEMS-устройств, анонсировала новое поколение «нано» трехосных линейных акселерометров LIS331xx. Эти универсальные, экономичные во всех отношениях, в том числе и по энергопотреблению, MEMSдатчики предлагают высокую гибкость и интеллектуальные встроенные свойства. Они полностью удовлетворяют растущие запросы на компактные устройства с детектированием перемещений для применения на потребительском и промышленном рынке.

Новые трехосевые датчики движения от ST — полностью собственная разработка STMicroelectronics. Они размещаются в пластиковом миниатюрном корпусе размером 3×3×0,9 мм, что позволяет решить задачи по уменьшению веса и габаритов в портативной электронике. Акселерометры LIS331хх имеют оптимальные характеристики при малом потреблении. Их сверхкомпактная и надежная конструкция устойчива к вибрациям и ударам до 10 000 g.

Датчики ускорений семейства «нано» компании STMicroelectronics подходят для широкого спектра приложений с малыми величинами ускорения в потребительской и промышленной электронике, включая пользовательский интерфейс на базе движений, игровые устройства, детекторы падения для защиты накопителей на жестких магнитных дисках, устройства мониторинга вибраций и их компенсации в бытовой электронике.

Акселерометр LIS331AL выполнен по схеме датчика с аналоговым выходом (рис. 1). Микросхема обеспечивает измерение индивидуальных значений ускорения для всех 3 осей. Датчик предлагает полномасштабный выходной диапазон ускорения от ±2,0 g при высокой температурной стабильности. Он имеет встроенную возможность самотестирования, которая позволяет пользователю проверить функционирование устройства после монтажа на печатную плату. Отметим, что направление координатных осей у акселерометров ST может различаться. Примеры значений выходных напряжений акселерометра LIS331AL, в зависимости от его ориентации в пространстве, показаны на рис. 3.

Акселерометр LIS331DL, функциональная схема которого изображена на рис. 2, имеет стандартный цифровой интерфейс SPI/I²C и интеллектуальные встроенные функции, включая распознавание двойного и одиночного «клика», функции автозапуска и детектирования движения. Есть также ВЧ-фильтры и две выделенных программируемых линии прерываний.

Акселерометр LIS331DL имеет выбираемую пользователем полную шкалу величины ускорения ±2 и ±8 g и способен измерять ускорение со скоростью передачи выходных данных 100 или 400 Гц.

Особенность устройства — наличие двух независимых, программируемых сверху-вниз источников прерывания, каждый их которых может быть сконфигурирован для генерации инерциального сигнала прерывания автозапуска при превышении программируемого порога ускорения по одной из трех осей в случае обнаружения свободного падения, щелчка («клика») или двойного «клика». Для этих целей предназначены два независимых выходных штырька, которые обеспечивают сигналы прерывания на связанные с акселерометром устройства.

Распознавание «клика» и двойного «клика» позволяет производителям связать простые движения с командами пользователя, например, включение/выключение устройства, открытие документа, перемещение по пунктам меню в приложениях, отключение звука звонящего мобильного телефона, при этом можно не доставать его из кармана.

Конфигурируемые ВЧ-фильтры могут быть включены для реализации функций, активируемых движением, и мониторинга вибрации независимо от положения устройства в момент измерения.

Два раздельных программируемых источника прерывания дают возможность немедленно реагировать на движение, а значит, производители получают больше свободы и гибкости в своих разработках и приложениях.

В ноябре 2008 г. компания STMicroelectronics расширила семейство акселерометров «нано», приступив к производству новых трех устройств — LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF. Это прецизионные трехосевые линейные акселерометры с цифровым выходом. Новые крошечные чипы размером 3×3×1 мм отличаются способностью масштабирования, встроенными интеллектуальными возможностями и малым потреблением тока. Новые MEMS-акселерометры ST нацелены на широкий ряд приложений с малым ускорением, включая пользовательский интерфейс перемещения или шагомер в сотовых телефонах, игровые устройства, пульты дистанционного управления или портативные мультимедиа-проигрыватели, а также обнаружение свободного падения для защиты целостности данных приводов жестких дисков и мониторинга вибрации. Все три устройства — LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF — интегрируют на кристалле ряд встроенных интеллектуальных особенностей, включая режим пониженного потребления, функцию автозапуска, движение свободного падения и обнаружение 6D-ориентации, а также имеют стандартный цифровой интерфейс SPI/I²C. Комплект новых датчиков обеспечивает полную масштабируемость разрешающей способности. Разработчики могут выбрать 6-, 8- или 12-разрядное устройство. Микросхемы совместимы по выводам, параметрам перемещения, а также программно, что позволяет использовать их многократно для различных проектов без необходимости замены платы и программных драйверов. Акселерометры могут быть запрограммированы для работы в спящем режиме с автозапуском, при котором устройство поддерживает цепь считывания активности, потребляя менее чем 10 мкА, и автоматически пробуждается при наступлении события. В устройствах имеется конфигурируемый фильтр верхних частот, который может быть использован для допуска функций активации движения и мониторинга вибрации, независимо от того, в каком положении находится прибор в момент измерения. Два отдельных программируемых сверху-вниз сигнала прерывания допускают немедленное уведомление о свободном падении, перемещении или событии 6D, что обеспечивает разработчикам достаточно свободы и гибкости при конструировании прикладных приложений. Новые акселерометры ST имеют большую производительность при малом потреблении мощности, а их миниатюрная устойчивая конструкция обеспечивает очень высокий иммунитет относительно вибрации и ударов при ускорении до 10 000 g. Наличие встроенной функции самоконтроля позволяет потребителю проверять функционирование датчика после размещения его на плате. Образцы акселерометров LIS331DLH, LIS331DLM и LIS331DLF уже доступны, а их полномасштабное производство планируется на начало 2009 года.

К общим основным особенностям данных акселерометров относятся:

• широкий диапазон питающего напряжения: от 2,16 до 3,6 В;
• совместимость входов/выходов с пониженным напряжением 1,8 В;
• несколько режимов понижения потребления тока: от 250 мкА в нормальном режиме работы и до 1–10 мкА в спящем режиме работы;
• динамично выбираемый пользователем диапазон ускорения ±2/±4/±8 g;
• цифровой выходной интерфейс I²C/SPI;
• два независимых программируемых прерывания, генерируемых для обнаружения свободного падения и движения;
• функция автозапуска из спящего режима;
• обнаружение ориентации 6D;
• встроенная функция самотестирования;
• высокая живучесть при шоковом ускорении до 10 000 g.

Выявленные основные отличия между этими тремя микросхемами [8–10] сведены в таблицу 2.

Микросхемы управляются непосредственно микроконтроллером. Из навесных компонентов рекомендуется задействовать только одну емкость на 10 мкФ и одну емкость 100 нФ.

Традиционно акселерометры STMicroelectronics предназначались для использования в жестких дисках компьютеров и других потребительских и индустриальных приложениях. Поэтому до последнего времени все акселерометры ST специфицировались для индустриального диапазона рабочих температур от –40 до +85 °С. В этом году, откликаясь на потребности рынка компонентов для автоэлектроники, компания приступила к производству специализированных акселерометров с расширенным рабочим диапазоном температур от –40 до +105 °С. Кроме того, учитывая специфику этого рынка, первое такое устройство — AIS326DQ — упаковано в квадратный корпус QFPN-28, а второе устройство — AIS326DS — в корпус с планарными выводами SO16W.

AIS326DQ и AIS326DS — это трехосевые акселерометры с цифровым выходом, которые построены на принципе и схемотехнике цифрового датчика (рис. 2), уже рассмотренного нами.

Микросхема AIS326DQ имеет выбираемую пользователем полную шкалу ускорений ±2 или ±6 g и способна измерять ускорение при системной полосе пропускания свыше 640 Гц для всех осей. Полосу пропускания устройства можно выбирать в зависимости от требований, установленных для приложения. При этом выходная скорость данных может быть 40/160/640 или 2560 Гц. Чувствительность устройства находится в диапазоне от 316 до 1096 величины LSb/g, где 1 LSb = 1 g/1024 при дискретности 12 бит и полной шкале 2 g [11].

Разрешение по ускорению при шкале ±2 g составляет от 1 до 15,5 mg в зависимости от частоты выходных данных. Гарантируемая устройством нелинейность при шкале ±2 g и скорости выходных данных 40 Гц — не более ±2% по осям X, Y и не более ±3% по оси Z.

Встроенная возможность самоконтроля позволяет проверять функционирование системы после установки его на плате.

Акселерометр AIS326DQ рекомендуется ST для применения в следующих автомобильных приложениях:

• противоугонные системы и инерциальная навигация;
• функции активации движением;
• мониторинг вибрации и уравновешивания;
• измерение углов наклона;
• «черные ящики», регистраторы событий и др.

В противоугонных системах трехосевой акселерометр используется в качестве инклинометра, который чувствует наклон автомобиля или мотоцикла относительно земли. Если для захвата транспортного средства применяется другая машина, то акселерометр обнаруживает изменение наклона и активизирует систему обеспечения безопасности. Акселерометр может также использоваться для обнаружения попытки снятия колеса. В сложных противоугонных системах акселерометр может немедленно после вскрытия автомобиля инициировать работу видеокамеры, и преступник будет зафиксирован на пленке.

От сигнала акселерометра в автомобиле может быть идентифицирована любая неблагоприятная случайность. При этом двери могут быть разблокированы, что поможет спасателям проникнуть в автомобиль и сохранить жизнь пассажиров.

В регистраторах аварийного отказа акселерометр обнаруживает наличие столкновения, и все необходимые данные могут быть сохранены в системе для более позднего анализа. Инерционные данные могут быть выбраны и сохранены в системной памяти для последующего анализа аварии с целью определения ее причин.

В автомобильной навигации инерционные датчики по технологии MEMS могут дополнять систему GPS при потере сигнала. Система счисления пути продолжает прослеживать движение в промежутки времени, когда спутниковые сигналы не принимаются или в случае, если они недостаточно точны.

Многие интеллектуальные компоненты компании STMicroelectronics, в том числе и акселерометры, поддерживаются собственными средствами разработки и оценки, которые позволяют разработчикам быстро оценивать возможности компонентов и развивать свои проекты.

Отладочные комплекты для акселерометров допускают получение через аналоговый или цифровой интерфейс данных о параметрах ускорения, ощущаемого акселерометром, и их анализ, который поддерживает специализированное программное обеспечение для цифровых решений. На рис. 4 представлен внешний вид отладочной платы EK3L из комплекта STEVAL-MKI004V1 для акселерометра LIS3LV02DQ c цифровым выходом.

Для датчиков с аналоговым выходом считываемые акселерометром данные преобразуются емкостным усилителем с низким уровнем шумов в аналоговое напряжение, а для цифровых датчиков измеренные устройством сигналы считываются установленным на плате 8-разрядным микроконтроллером (ST72F651 на рис. 2) и пересылаются на компьютер через USB-интерфейс для дальнейшей обработки.

В заключение отметим, что наряду с новыми акселерометрами в 2008 г. компания STMicroelectronics начала производство и других новых продуктов по технологии MEMS, а именно гироскопов и функциональных микросхем. Пока в производстве — по одному прибору каждого типа. Это микросхема LY530AL — MEMS инерциальный одноосный датчик угловой скорости (гироскоп) с аналоговым и цифровым выходами и MEMS функциональный датчик FC30 с 3D-смарториентацией (6 позиций) и обнаружением внешнего щелчка по устройству.

Возвращаясь к областям возможного применения датчиков движения, можно с уверенностью утверждать, что, как и акселерометры, новые разновидности датчиков компании STMicroelectronics будут востребованы на рынке.