Сензори за ускорение MEMS (Accelerometer)

MEMS сензорите задвижват автомобилната индустрия

Считани от повечето инженери като авангардна технология, MEMS сензорите са обхванати от автомобилната индустрия в стремежа си да подобри производителността, да намали разходите и да повиши надеждността на семейния седан. Всъщност стотици милиони MEMS сензори са били използвани в автомобилите през последното десетилетие. Много от тези сензори (напр. Сензори за налягане MEMS) просто заменят по-старите технологии с по-евтини, по-надеждни устройства. За разлика от тях, инерционните сензори MEMS са позволили много желани функции, които все по-често се срещат в автомобилите днес.

Сензори за ускорение

Основно описание

Линейните сензори за ускорение, наричани още сензори на G-сила, са устройства, които измерват ускорението, причинено от движение, вибрации, сблъсък и др. Всички сензори за ускорение работят въз основа на прост принцип, при който вторият закон за движение на Нютон се прилага към система с пружинна маса. Маса е свързана към основата на сензора за ускорение чрез еквивалентна пружина. Тъй като силата между масата и основата е пропорционална на ускорението на масата и относителното разстояние между тях има линейна връзка със силата, дължаща се на пружината, ускорението може да бъде изчислено чрез измерване на относителното положение на масата или сила върху пружината, тъй като тя варира с времето. Като цяло, най-често срещаните видове сензори за ускорение включват: пиезоелектрик, пиезорезистивен, променлив капацитет..

пиезоелектричен

Пейзоелектрическият сензор за ускорение използва пиезоелектричния ефект за измерване на относителното разстояние между масата и основата на сензора, а след това представлява ускорението по отношение на изходното напрежение. Кварцовите кристали понякога се използват като чувствителни елементи. Но обикновено се използват керамични пиезоелектрични материали като бариев титанат, оловен цирконитов титанат (PZT) и оловен метаниобат. Пейзоелектрическите сензори за ускорение се използват широко поради компактния си размер и лекото тегло, но те не могат да се използват за измерване на ускорения в стационарно състояние.

пиезорезистивен

В пиезорезистивен сензор за ускорение пиезорезистивният материал е разположен така, че да се деформира от положението на масата, променяща съпротивлението му. Този тип сензор за ускорение обикновено има малък размер, голяма амплитуда на сигнала и добра линейност, но може да бъде чувствителен към температурни промени. Пиезорезистивните сензори могат да се използват за измерване както на стационарно, така и на динамично ускорение.

Променлив капацитет

Сензорът за ускорение с променлив капацитет използва промени в капацитета, причинени от изместване на масата, за да открие положението му. Чувствителният елемент, който обикновено се използва тук, е противовъздушен, противоположен плочен кондензатор. Тези видове сензори за ускорение имат добра чувствителност, линеен изход, добра постоянна характеристика на постоянен ток, ниско разсейване на мощността и чувствителност към ниска температура. Един недостатък на сензорите с променлив капацитет е, че те могат да бъдат податливи на електромагнитни смущения.

Variable Reluctance

Сензорът за ускорение с Variable Reluctance използва промени в индуктивността на намотката, причинени от изместване в маса, направена от магнитен материал, за да открие положението на масата. В повечето сензори за ускорение пружината не е намотана жична пружина, но е нещо, което има тенденция да възстанови масата в първоначалното си положение. Някои сензори използват  диафрагми на мястото на пружината. Сензорите за балансиране на силаta работят при затворен контур. Тези сензори наблюдават баланса на силите между масата и пружината и ги поддържат в равновесно състояние. Този механизъм минимизира грешките, причинени от нелинейността на пружината, но увеличава разходите.

MEMS Acceleration Sensors: Сензорите за ускорение, базирани на технологията MEMS (MicroElectroMechanical Systems), стават все по-популярни в автомобилните системи. Устройствата MEMS са сравнително малки и здрави в сравнение с други технологии. Те са направени чрез гравюри на малка механична структура в силиконови пластини, където са лесно интегрирани със системна електроника.

В сензорите за ускорение MEMS чувствителният елемент е гребенова структура на диференциални кондензатори, разположени успоредно върху греда (образуваща сеизмичната маса), поддържана от пружини, издълбани от силициевата подложка. Диференциалният кондензатор образува капацитивен полумост, задвижван от високочестотен генератор на квадратна вълна. Когато се прилага ускорение перпендикулярно на сеизмичната маса, диференциалният кондензатор е несъответстващ и на централната плоча се появява различно от нула напрежение. Този сигнал се усилва, демодулира, усилва и извежда като напрежение, пропорционално на приложеното ускорение.

Автомобилни приложения на сензори за ускорение:

• Откриване на сблъсък и разгръщане на въздушна възглавница: За измерване на интензивността на сблъсък и сигнал за иницииране на разгръщане на въздушната възглавница.Въвеждането на MEMS акселерометри в модулите за управление на въздушните възглавници на практика елиминира използването на g превключватели като основен сензор за ускорение в модулите на въздушните възглавници. Тъй като акселерометърът MEMS чете непрекъснато (аналогово) измерване, можете да замените g превключвателите с едно MEMS устройство в централната конзола. Полученото увеличение на надеждността (напр. Високо интегрираните акселерометри на Analog Devices постигат едноцифрени стойности на дефекти в ppm) и намаляване на цената на системата на въздушните възглавници спомогна за почти универсалното й включване в автомобилите. Още по-добре, акселерометрите MEMS могат да извършват стабилно самотестване, което позволява на процесора на модула на въздушната възглавница да определи дали данните на сензора са надеждни или дали модулът на въздушната възглавница трябва да се обслужва. MEMS акселерометрите обикновено управляват страничните въздушни възглавници. Тъй като решението за взрив трябва да бъде взето бързо, няма време да чакаме разпространението на сигнала на сензора през шасито на колата, така че сателитът трябва да бъде поставен близо до въздушната възглавница, която управлява. Освен това, тъй като практически няма зона на раздробяване между удара и акселерометъра, обхватът на измерване трябва да е над акселерометрите на централната конзола. В резултат на това много превозни средства, оборудвани със странични въздушни възглавници, могат да добавят още два до четири акселерометра MEMS за тази функция. Предни изглеждащи сензори за катастрофа, поставени точно зад предната броня, се добавят към някои модели, за да помогнат да се определи тежестта на челната катастрофа. Подписът за ускорение на сензора, гледащ отпред, се сравнява с този на акселерометъра на централната конзола, което позволява на контролера на модула на въздушната възглавница да модулира скоростта на надуване на въздушната възглавница, за да съответства на скоростта на забавяне на автомобила. И тук високият обхват на g и компактният размер са важни фактори в това приложение.
• Програми и контрол на стабилността на електрониката: Измерва ускорението по различни оси (напр. Ускорения за спиране, спиране и завиване, за да изчисли относителните движения и да ги регулира). Системите за динамично управление на превозното средство (VDC) помагат на водача да си върне контрола върху автомобила, когато той започне да се плъзга. Ако VDC работи правилно, водачът може дори да не е наясно, че системата се е намесила. Система VDC се състои от жироскоп, акселерометър с нисък g и сензори за скорост на колелото на всяко колело (сензорите за скорост на колелото могат да се използват и от ABS). Скоростта на колелата се измерва, а прогнозираната скорост (или завой) на автомобила се сравнява с тази, измерена от жироскопа. Използва се и ниско-g акселерометър, за да се определи дали колата се плъзга странично. Ако измерената скорост на се различава от изчислената скорост  или ако се установи странично плъзгане, може да се използва спиране на едно колело или намаляване на въртящия момент, за да се върне колата в ред. Преди появата на жироскопи и акселерометри на MEMS VDC за обикновени леки автомобили беше непрактичен. Конвенционалните жироскопи и акселерометри биха добавили хиляди долари към цената на автомобила. Всъщност конвенционалните жироскопи, изградени с въртящи се маси и тензодатчици, вероятно няма да бъдат достатъчно здрави, за да отговорят на> 10-годишното оперативно изискване на автомобилния пазар. Дори жироскопите MEMS едва се справят със задачата. Типичен жироскоп MEMS използва кварцова вилица. Вибрацията на тунинг вилката, заедно с приложеното ъглово въртене (скорост на колата), създава ускорение на Coriolis. Акселерометър или тензодатчик, прикрепен към вилката, измерва минутата на Coriolis. Изходът на сигнала е пропорционален на размера на настройката. За да генерира достатъчно силен изходен сигнал, настройката трябва да вибрира силно. Най-добре можете да постигнете това с висока Q структура. Производителите често поставят тунинг вилката във вакуум, за да сведат до минимум механичното затихване по въздуха около вилката. Структурите с висок Q могат да бъдат доста крехки. Тъй като жироскопът трябва да бъде здраво свързан с автомобила, за да се измери точно скоростта, жироскопът често изпитва удар и вибрации. Този механичен шум може да въведе сигнал към акселерометъра за прихващане на Coriolis, който е с няколко порядъка по-висок? Генерирания сигнал на Coriolis. Отделянето на сигнала от шума не е лесно. Често ударът или вибрацията насищат веригата и правят изхода на жироскопа ненадежден за кратко време (това обяснява защо вашата предупредителна светлина VDC от време на време може да светне без видима причина). Конвенционалните жироскопи MEMS обикновено са обемисти (100 cm ³ или повече не са рядкост). Това отчасти е резултат от добавянето на механични антивибрационни крепежи, които са вградени, за да се сведе до минимум чувствителността към външни вибрации. Новите MEMS устройства избягват тези недостатъци. Например, жироскопът iMEMS на Analog Devices (който е в процес на развитие) е 7 на 7 на 3 мм (0,15 см ³ ). Вместо кварц, той използва резонираща структура от полисиликонов лъч, който създава елемент на скоростта, който произвежда силата на Кориолис, когато ъгълът на скоростта му е представен. По външните ръбове на полисиликоновия лъч, ортогонален на резонансното движение, капацитивен акселерометър измерва силата на Кориолис. Жироскопът има два набора от лъчи, които са поставени един до друг, а изходите им се четат различно, засилвайки външната чувствителност към вибрации.
• Спирачни системи против блокиране.
• Системи за активно окачване: Измерват надлъжни и странични ускорения, както и характеристики на ролките на превозното средство, за да променят съответно характеристиките на амортисьорите.
• Контрол на спускане / задържане на хълма: Измерва наклона и скоростта на автомобила за регулиране на системата.
• Мониторинг на шума, вибрациите и рязкостта.
• Навигационни системи за превозни средства за определяне на местоположението, скоростта и т.н. Заключение

  Инерционното съдържание на MEMS в автомобилите е значително и нараства. С увеличаването на възможностите на тези сензори дизайнерите намират повече приложения за тях, за да подобрят безопасността и надеждността на автомобилите. Днес производителите използват предимно инерционни MEMS сензори, за да внедрят функции за безопасност (например управление на въздушните възглавници), но приложенията за производителност и удобство бързо се превръщат в основен пазар.