Co je to akcelerometr, k čemu slouž
slouží:
z
8. AKCELEROMETRY
Přednášející: Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
(Ing. Tomáš Vítek)
[email protected],
www.micro.feld.cvut.cz
tel.: 2 2435 2267
Cvičící:
Ing. Pavel Kulha
Ing. Adam Bouřa
Senzor pro měř
měřen
eníí:
o dynamick
dynamické
é zrychlen
zrychleníí - resp. sí
sílu vzniklou změ
změ nou rychlosti
pohybujíícího se př
pohybuj
předm
edmě
ětu (senzoru)
o statick
statické
é zrychlen
zrychleníí - resp. sí
sílu vzniklou pů
p ůsoben
sobeníím zemské
zemsk é
gravitace
(Pozn.: Př
Při měř
měřen
eníí dynamick
dynamické
ého zrychlení
zrychlení je nutné
nutné přítomnou statickou slož
složku filtrovat)
z
Příklady konkré
konkrétn
tníího použ
použ it
itíí:
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Automobilový prů
prů mysl – airbagy, systé
systé my jí
jí zdn
zdníí stability (ESP), EZS
Měř
ěřen
eníí vibrac
vibracíí (nap
(napřř. strojů
strojů, můž
může
e vč
včas odhalit vadné
vadné lo
ložžisko apod.)
Měř
ěřen
eníí nato
natoččen
eníí a detekce otá
otáčen
eníí
Přesn
esné
é měř
ěřen
eníí náklonu s rychlou odezvou
Měř
ěřen
eníí a detekce pohybu a rychlosti
Měř
ěřen
eníí a detekce seismick
seismické
é aktivity
Měř
ěřen
eníí zrychlen
zrychleníí (akcelerace)
Měř
ěřen
eníí odst
odstřřediv
edivé
é síly
Navigačční syst
Naviga
systé
émy
EZS senzory ná
náklonu nebo vibrací
vibrací
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
z
Měř
ěřen
eníí náklonu (ú
(ú hlu)
z
1 g ≈ 9,82 m/s2
!
Akcelerometry mohou detekovat změ
změny ná
náklonu měř
měřen
eníím
zemské gravitace (statické
zemské
(statické zrychlen
zrychleníí). Akcelerometry
Analog Device jsou schopny měř
měřit
it v šir
irší
ším
m pá
pásmu (200
Hz) než
než běž
ěžnné kapalinov
kapalinovéé (rtu
(rtuťťov
ovéé) náklonom
klonoměěry (1 Hz).
Měř
ěřen
eníí setrva
setrvaččných sil
Akcelerometry mohou slouž
sloužit k měř
měřen
eníí rychlosti,
vzdálenosti nebo sí
vzdá
síly. Je to mož
možné díky tomu, že
zrychleníí integrovan
zrychlen
integrovanéé přes čas se rovná
rovná rychlosti objektu
a rychlost integrovaná
integrovaná přes čas je rovna vzdá
vzdálenosti.
Měř
ěřen
eníí setrva
setrvaččných sil se využ
využívá nap
napřř. v airbagech aut,
navigaččních systé
naviga
systémech, řízen
zeníí výtah
výtahů
ů apod.
z
Měř
ěřen
eníí ot
otřřes
esů
ů (n
(ná
á razu) nebo vibrací
vibrací
Akcelerometry mohou měř
měřit
it vibrace např
např. strojů
strojů nebo
zeměětřesen
zem
eseníí. Mohou kontrolovat „zdravý
zdravý““ chod stroje a
predikovat mož
možné zadrhnut
zadrhnutíí lo
ložž isek apod.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Princip činnosti:
•
•
Měření absolutního zrychlení - měření zrychlení vůči zemi, např. zemská
přitažlivost
Měření relativního zrychlení - měření zrychlení hmoty vůči
pohybujícímu se předmětu
Relativní
Relativní / absolutní
absolutní senzory ?
•
•
Pohybová rovnice při vztažném bodě A, vůči kterému
měříme kmity objektu y(t):
Pro časově proměnné složky:
•
•
základna pevně spojená s měřeným
objektem (M)
pružně (k) uložena setrvačná hmota
(m), jejíž výchylka vůči základně je
vyhodnocována
tlume ní (viskózní) reprezentováno jak
fyzickými tlumiči, tak např. prouděním
vzduchu při pohybu hmoty
Při zanedbání tlumení
Tj. pro b=0
Model absolutního senzoru (akcelerometru) [1]
z (t ) = x(t ) + y(t )
Tlumení
Tlumení:
•
•
d2y
d 2x
=
−
− ω0 2 x
2
2
dt
dt
Pro harmonický pohyb tělesa, tj. y(t)=y0 sinωt a x(t)=x 0 sinωt,
je amplitudová charakteristika :
m
d2x
dx
d2 y
+ b + kx = − m 2
2
dt
dt
dt
ω0 =
k
m
, kde ω0 je rezonanční
kmitočet
x0
ω2
= 2
y0 ω0 − ω 2
ω << ω 0 → přibližně platí x 0 = ω2y0/ω02 → amplituda x0 je přímo úměrná amplitudě
měřeného zrychlení a = a0 sinωt → princip všech akcelerometrů
ω >> ω 0 → přibližně x(t) = - y(t) a z(t) = 0 → senzor měří amplitudu (dráhu) pohybu →
•
•
hmotnost m je v klidu (seismická hmotnost) – vztažný bod uvnitř soustavy, v akcelerometrech
se nepoužívá
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
•
d 2z
dx
+ b + kx = 0
2
dt
dt
Řešením pohybové rovnice získáme amplitudovou
a fázovou charakteristiku absolutního senzoru kmitů (viz následující obraz).
absolutní senzory využívaní vztažný bod
vytvořený uvnitř senzoru
poloha vůči tomuto bodu se pak měří relativním
senzore m umístěným uvnitř absolutního senzoru
Akcelerometr se sklá
skládá z:
•
z (t ) = x(t ) + y (t )
m
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Důle
ležž it
itéé poznatky:
Příliš malé – objeví se překmity, klesá maximální
použitelná frekvence měřeného zrychlení (vibrací)
Příliš velké – omezuje frekvenční rozsah senzoru,
neúměrně zvyšuje fázový posuv
Optimální – při lineární fázovém posuvu B = 0,7
•
•
•
•
•
Pro správnou funkci senzoru je důležitá nejen amplitudová, ale i fázová charakteristika.
Výběr správného tlumení je kompromisem.
V praxi se používá senzor pro měření frekvencí menších než je 20% rezonanční
frekvence senzoru.
Filtrování vysokých frekvencí - používá se mechanický filtr (speciální guma, vlastní
hmota systému, kapalina, atd.)
Přesnost - obyčejné akcelerometry cca 5%
Jednoosé - většina akcelerometrů měří zrychlení pouze v jednom směru, tj. v jedné ose
Dvouosé a tříosé - v principu se skládají ze 2 nebo 3 systémů, kde každý systém měří
zrychlení v jedné ose.
Amplitudová a fázová charakteristika (B poměrné)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Kapacitní ADXL senzory – jednoduchý a dvojitý
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Akcelerometry pro měř
eníí vibrací
měřen
vibrací:
•
Podmínkou pro měření zrychlení kmitání je velká rezonanční frekvence ω 0 ►
► piezoelektrické materiály (velká tuhost, malá hmotnost) → ω0 až 250kHz
a) Piezoelektrické
Piezoelektrické akcelerometry
a) Piezoelektrické
Piezoelektrické akcelerometry
•
•
•
Měří se poloha seismické hmotnosti vůči pouzdru senzoru – piezoelektrické napětí
Využití kompresní nebo především smykové deformace (viz dále)
Piezoelektrický akcelerometr nelze použít pro měření statického zrychlení !
– vzniklý náboj se vybíjí přes vnitřní odpor a svody
Frekvenční charakteristika pieozoakcelerometru
(a-ideální,b-skutečná) [1]
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Využž it
Vyu
itíí smykov
smykovéé deformace piezoelektrické
piezoelektrického elementu:
•
•
•
Malá citlivost k rušivým vlivům, jako deformace základny pouzdra, teplotní dilatace,
akustické efekty…
Využití skutečnosti, že náboje vyvolané teplotní dilatací a smykovým namáháním
nevznikají na stejných plochách elementu.
Navíc nábojová citlivost při smykové deformaci je mnohem vyšší než při kompresi.
Nevýhody: Nelze měřit statické zrychlení. Velká teplotní závislost piezoelektrického
materiálu (pyroelektrický jev) → kompenzace, třeba i vhodným uspořádáním.
Použž it
Pou
itíí: Vlastní rezonanční frekvence akcelerometru je vysoká - lze použít pro měření
zrychlení při vysokých hodnotách frekvence kmitání hmoty. K měření velmi
vysokých hodnot dynymického zrychlení (až 20 000 g).
Výstup: Náboj/napětí
b) Piezoodporové
Piezoodporové (tenzometrické
(tenzometrické) akcelerometry
• Princip zjišťování napětí (fyzikálního) na základě změn v materiálu
• Piezoodporový akcelerometr …
• Nejjednodušší princip tzv. vetknutého (kmitajícího) nosníku
Princip:
Pohybem hmoty dochází k prodlužování nebo zkracování piezoodporového
elementu- princip tenzometru (změna ohmického odporu). Změna je úměrná
výchylce hmoty.
Součásti:
Použití:
• vetknutý nosník (k)
Od stejnosměrných hodnot zrychlení asi do 13 kHz.
Jiný příklad piezoelektrického
akcelerometru využívají princip
smykové deformace piezoelektrického krystalu (quartz, disc shear)
Hodnoty rázového zrychlení až 1000 g
Rezonanční frekvence až 30 kHz
Piezoodpor
Substrát
Pohyb
hmoty
Nosník
Seismická
hmota
Základna - sklo
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Piezoelektrický akcelerometr se smykovým
namáháním (delta shear akcel. fy Bruel-Kjaer) [1]
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
• seismická hmota (m)
• snímací prvky v místě
deformace (vetknutí) nosníku
(obvykle odporové tenzometry –
R1, R2)
c) Tepelné
Tepelné akcelerometry
Princip:
Seismická hmota umístěna na tenkém nosníku a umístěna v blízkosti tepelné komory
nebo mezi dvěmi komorami. Hmota i nosník jsou vyrobeny mikrosystémovou
technologií mikroobráběním. Prostor mezi těmito komponenty je vyplněn teplotně
vodivým plynem. Hmota je ohřívána na povrchu nebo zabudovaným ohřívačem na
definovanou teplotu T1. Pokud nepůsobí akcelerační zrychlení, potom je teplotní
rovnováha mezi hmotou a ohřívanými komorami. Množství tepla Q1 a Q2 vedené od
hmoty do komor přes plyn je funkcí vzdáleností x1 a x2. Pro měření teploty je na
nosníku umístěn teplotní senzor. Citlivost akcelerometru je (1% změny výstupního
signálu)/g, je mnohem menší než u kapacitních nebo piezoelektrických. Výhodou je
menší náchylnost k elektromagnetickému nebo elektrostatickému rušení.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
d) Akcelerometr s využ
využití
itím principu tunelová
tunelování
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
e) Kapacitní
Kapacitní akcelerometry
Nejjednodušší (základní) uspořádání:
•
•
•
•
•
•
Princip:
Využívá princip tunelovacího mikroskopu. Po přiblížení dvou těles (atomů)
na velmi blízkou vzdálenost mezi nimi začne téci tunelovací proud. Velikost
je závislá na vzdálenosti.
Principiální základ = deskový kondenzátor
1 pohyblivá elektroda (hmotná)
Opět pružné uložení + tlumení
Při změnách zrychlení dochází ke změně
kapacity.
Princip komplementární k principu
elektrostatického aktuátoru !
Proti - vysoký teplotní a časový drift, vzniká
elektrostatická síla – pohyb, chyba
k
m
Rezonanční frekvence:
ω0 =
Zrychlení (kvazistatické
akcelerometry):
a = xω 0
2
Použití:
Důsledky vzorce:
Extrémně citlivý, pohyb hmoty o 0,01 nm.
• rozsah pohybu desek kap. akcelerometru je tím
vyšší, čím menší rezonanční kmitočet
požadujeme, a naopak
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Model deskového kondenzátoru s jednou
pohyblivou elektrodou
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Ekvivalentní obvodové schéma (F – síla
mezi deskami, Fn – šum)
Princip činnosti:
Diferenciální uspořádání:
Na obrázku - pevné elektrody tvoří vůči seismické hmotě 2 kapacity
Při pohybu dochází ke změně vzdálenosti desek - změna kapacit (1 roste, 2. klesá)
Základ složitějších používaných uspořádání (např. hřebenové
•
•
•
Na obrázku - pevné elektrody S1 a S2 tvoří vůči seismické hmotě Mass 2 kapacity,
které jsou schopné eliminovat nedostatky základního uspořádání
Při pohybu dochází ke změně vzdálenosti desek - změna kapacit (1 roste, 2. klesá)
Základ složitějších používaných uspořádání (např. hřebenové), viz obrázek
Substrát
•
•
•
Různá možná uspořádání diferenciálního kapacitoru
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
\\\\\\Princip hřebenového uspořádání kapacitního akcelerometru
Příklad struktury křemíkového
akcelerometru, jednoduché
diferenciální uspořádání [5]
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
•
•
•
Paralelně pospojované diferenční kapacitory – desítky až stovky
Část diferenčních kapacitorů může sloužit jako testovací-budící (elektrostatický
princip) – používáno např. v ADXL akcelerometrech fy Analog Devices, viz dále
Seismická hmota (beam) s pohyblivými elektrodami je upevněna na pružných
závěsech (tether), při akceleraci dojde k pohybu oproti rovnovážnému stavu …
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
\\\\\\Princip hřebenového uspořádání kapacitního akcelerometru
\\\\\\Princip hřebenového uspořádání kapacitního akcelerometru
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
2D a 3D akcelerometry
V0 = −VS +
C1
(2VS ) = C1 − C2 VS
C1 + C 2
C1 + C 2
Stejné plochy kapacitorů
V0 =
G2 − G1
VS
G1 + G2
, kde G1 a G2 jsou mezery mezi deskami
diferenčního kapacitoru
Obvody pro měř
eníí kapacity
měřen
•
Základ k měření kapacity je vztah náboj-napětí, a ten je při běžném dielektriku lineární
Q = C ( x ) ⋅V
•
Pro proud kondenzátorem platí obecně:
iC = C ( x )
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
∂C dx
dV
+V
dt
∂x dt
Všimněme si, že zde hraje roli také časová změna polohy → můžeme zanedbat při volbě
vysoké frekvence buzení, jinak dostaneme mix informace o poloze a rychlosti společně /
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Základní zapojení s transimpedančním
zesilovačem (náboj Cp nulový – virt. zem)
•
•
Invertor se spínanými kapacitami (SC invertor)
• stejnosměrný zdroj VS
• 2 nepřekrývající se hodinové pulzy
• přepínáme ze sledovače na otevřený
obvod
• frekvence vyšší než charakteristická
frekvence mech. soustavy → v jednom
cyklu se C(x) nezmění
• opět potlačuje vliv parazitních kapacit
Stejnosměrné buzení nevhodné
Při harmonickém buzení platí:
V0 = −ωVS 0C (x ) sin ωt
, kde složka C(x) je při volbě
dostatečné frekvence závislá
pouze na poloze desek
Při aplikování AC nebo DC napětí na kapacitor dochází ke vzniku elektrostatické
síly, která rozruší polohu desek ! → kompenzace:
• velmi malé budící napětí (zanedbatelná změna)
• krátké budící pulzy (měření je hotovo dřív, než se změní pozice)
V0STŘ = f [
C ( x)
]VS
C2
, kde f je koeficient pracovního
cyklu (obvykle 0,5)
Základní zapojení sledovače k měření výstupního
napětí diferenciálního kapacitoru
Vhodnější zapojení pro vysoký budící kmitočet
(a s volbou RF tak, aby ωRFCF >>1), RF zajišťuje
stejnosměrnou vazbu na vstup, tzn. nuluje
stejnosměrnou složku na vstupu
V0 ≈
• pulsní zdroje +VS a - VS
• parazitní kapacita se uplatňuje → lepší
použít některé z předchozích zapojení a
harmonické buzení
iC
C ( x)
VS ≈ −
VS
sC F
CF
VX =
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
C1 − C 2
V
C1 + C 2 + C P S
Demodulace:
• při použití harmonického budícího signálu k měření kapacity je výstup základního
obvodu opět harmonický signál s amplitudou úměrnou kapacitě
• k získání amplitudy (a tedy i kapacity) je nutné použít detektor obálky (špičkový
detektor) nebo synchronní demodulátor
Blokové schéma pro měření kapacity diferenčního
kapacitoru používající synchronní demodulaci
Špičkový detektor a demodulovaný
harmonický signál
Synchronní demodulátor:
• k demodulaci harmonického nebo pulsního signálu
• analogová násobička s jedním vstupem modulované nosné (A(t)) a druhým vstupem –
harmonický nebo pulsní signál se stejnou frekvencí jako nosná (B), pak
[ A(t ) cos ωt ][B cos(ωt + θ )] = A(t ) B [cos θ + cos(2ωt + θ )]
A(t ) B cos
2
θ
• pokud použijeme DP k odfiltrování 2ω frekvence, pak bude výsledek kopií A(t)
s měřítkem závislým na rozdílů fází signálů → 0 nebo π/2 v závislosti na zapojení
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
• téměř nulový interval mezi
Ф1 a Ф2
• princip v aktualizaci V2
• schodovitý výstup odpovídá
C(x)
SC invertor doplněn o synchronní demodulátor a DP
SC obvody jsou pro vyhodnocení signálu kap. akcelerometrů nejvhodnější !
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Příklady kapacitní
kapacitních akcelerometrů
akcelerometrů
Blokové schémata ADXL150 [3]
Analog Devices, rodina ADXL:
• výroba MEMS technologií, integrují v sobě
elektromechanický akcelerometr + vyhodnocovací
elektroniku → analogový signál úměrný zrychlení
Čip ADXL 150; strana 1,94mm
oblast senzoru 753x657μm [4]
MEMS Akcelerometr s okolními el. obvody
Detail senzorové části MEMS akcelerometru
• na okrajích senzoru 12 samotestovacích buňek (dif. kapacitorů)
• uprostřed 42 detekčních buněk
• vyrobeno technologií mikroobrábění křemíku (viz Technologie a materiály)
• seismická hmota je upevněna složenými pružinami (kotva), společné
elektrody diferenčního kapacitoru vybíhají z této hmoty
Senzorová část akcelerometru ADXL 150 [4]
(paralelní spojení mnoha dif. kapacitorů)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ADXL202 akcelerometr - multifunkč
multifunkční senzor
Poznámky ke kapacitním akcelerometrům:
• v běžné praxi nejpoužívanější akcelerometry
• obvody vyhodnocení pracují buď se silovou zpětnou vazbou (výstupní signál je zaveden na
budící elektrody (kapacitory) a tím vyvolá elektrostatickou protisílu) nebo bez ní → různá
rychlost, linearita a přesnost
• většina akcelerometrů pracuje bez silové zpětné vazby, kde linearita závisí pouze na linearitě
pružného upevnění
Vybrané parametry ADXL 150
Citlivost
38mV/g
Plný rozsah
± 50g
Teplotní rozsah
-40 až +85ºC
Napájecí napětí
4 - 6V
Nelinearita
0,2%
Chyba uložení v pouzdře
± 1º
Výstupní napětí pro 0g (předpětí)
Vs/2 ± 0,35V
Teplotní drift (od 25º do Tmin nebo
Tmax)
0,2g
Šířka pásma
400 nebo 1000Hz
Teplotní drift šířky pásma
50Hz
Rezonanční frekvence senzoru
24kHz
Výstupní změna při samotestu
400mV
Maximální absolutní zrychlení
2000g (nenapájen)
•
•
•
•
•
kompletní 2-osý akcelerometr s
vyhodnocením
rozsah ±2 g.
výstup analogový nebo digitální
(PWM) zvlášt pro každou osu
Nízká cena, multifunkční použití –
autoalarmy, HDD, měřící přístroje …
může pracovat současně jako senzor
vibrací a náklonu (zvedání, táhnutí
vozidla, otřesy…), viz níže
Použ
eníí otř
Použití
ití akcelerometru ADXL202 pro měř
měřen
otřesů
esů a ná
náklonu
500g (napájen)
Orientace v pouzdře a možné provedení senzorů
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Pádový test
1,2m
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Měřic
eníí náklonu s akcelerometrem
ěřicíí systé
systém pro měř
měřen
•
Zpracování senzorových dat a výpočty v PC
•
ADL kapacitní akcelerometer
•
Měřicí proces je řízený mikroprocesorem
•
Displej
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
MEMS integrovaný akcelerometr
• princip diferenčního kapacitoru
• pevné elektrody jsou buzeny fázově
posunutým (π) obdélníkem
• napětí pohyblivé elektrody je demodulováno
synchronním detektorem
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
• výstup demodulátoru může být přiveden
zpět na pohyblivou elektrodu a tím vyvolá
elektrostatickou zpětnou vazbu, tj. silový
účinek k vyvážení působení zrychlení na
hmotu
Technologie výroby MEMS, materiá
materiály
Materiály:
• Polykrystalický Si (v MEMS takřka výhradně), GaAs – velmi drahé
• SiO2, SiN, Al, W, Au, sklo, polymery, keramické a kompozitní materiály
• Materiály omezeny technologiemi hromadné výroby (ekonomické hledisko)
w = w0 – 1,4h
Technologie:
• Pro elektronické části – např. CMOS technologie
• Pro mechanické části – technologie „mikroobrábění“
• Objemové mikroobrábění (bulk micromachining)
• Povrchové mikroobrábění (surface micromachining)
• Si, SiO2, SiN, Al, W, Au, sklo, polymery, keramické a kompozitní materiály
• Materiály jsou omezeny technologickými postupy – spojení elektronické a mechanické části
na 1 čip
Princip anisotropického leptání (100) křemíku
Objemové mikroobrábění:
• Vytvoření hrubé struktury
• Isotropní/anisotropní leptání, mokré/suché leptání (DRIE, elektrononové…)
• Nejčastější anisotropické leptání – krystalografický směr (111) až 600x pomaleji než ostatní
směry
• Litografické procesy
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Struktura tenzometrického akcelerometru typicky vyrobená technologií
objemového mikroobrábění
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Lepení vrstev:
• Wafer-to-wafer nebo wafer-to-glass
• Anodové lepení – vysoké napětí (typ. 500-1500V) a teplota (400-600°C)
• Při lepení k podkladovému materiálu - epoxidy
Povrchové mikroobrábění:
• Technologie kompatibilní s CMOS výrobní technologii
• Litografické procesy – fotorezist, maska, UV záření, vyvolání, leptání
• Koncové uvolňovací leptání – odleptání „obětní“ vrstvy → mechanický pohyb
• K přesnějšímu leptání se používá suché DRIE nebo elektronové leptání
Jeden
cyklus
mikroobrábění,
vytvoření
ČVUT
FELpovrchového
Praha, Prof. Ing.
Miroslav Husák,
CSc. nosného ramena nebo např. pevné elektrody
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Použžit
Pou
itá
á literatura:
[1] Ripka, P. – Ďaďo, S. – Kreidl, M. – Novák, J.: Senzory a převodníky, ČVUT Praha, 2005
[2] Julian W. Gardner, V. K. Varadan, Osama O. Awadelkarim: Microsensors, MEMS, and Smart Devices, John
Wiley & Sons, 2001
[3] http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/30-4/acccel.html
[4] http://www.ee.ucla.edu/~wu/ee250b/Case_Study_1_Accelerometer.pdf
[5] H. Asanuma, M. Nishizawa, G. Suzuki, Y. Yoshida, H. Niitsuma, M. Esashi: MINIATURIZED SILICON
CAPACITIVE ACCELEROMETER FOR DOWNHOLE SEISMIC MEASUREMENT, IPACK2001-15833
[6] Kaigham J. Gabriel: Microelectromechanical Systems (MEMS) Tutorial, ITC 1998
[7] Stehen D. Senturia: Microsystem Design, Kluwer Academic Publishers, 2000, ISBN 0-37923-7246-8
[8] M.Husák: podklady k přednášce Akcelerometry
[9] J. Doscher: Accelerometer Design and Applications. Přednáška, Analog Devices.
[10] J.Fraden: Handbook of Modern Sensors
[11] Pdf katalogové listy firmy Analog Devices
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Otá
Otázky :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Absolutní a relativní zrychlení
Princip činnosti akcelerometru
Jednoosý a víceosoý akcelerometr
Uspořádání a konstrukce piezoelektrického akcelerometru
Uspořádání a konstrukce tenzometrického akcelerometru
Uspořádání a konstrukce tepelného akcelerometru
Uspořádání a konstrukce kapacitního akcelerometru
Základní elektronické obvody pro vyhodnocování informace za akcelerometrů
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Download

08 Akcelerometry.pdf