Рис. 1.7. Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента

На рис. 1.9 представлен внешний вид высокопроизводительного 3-осевого емкостного акселерометра.

Рис. 1.9. Внешний вид платы высокопроизводительного 3-осевого емкостного акселерометра

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка – из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату. На рис. 1.10 представлен внешний вид готового корпуса акселерометра.

Рис. 1.10. Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

Понятие «3D-МЭМС» – это инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для относительно легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях. Применяя технологию 3D-МЭМС, можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, к примеру для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:

• использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70 000 g циклов ускорений);

• емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);

• высокий уровень точности и стабильности;

• легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;

• низкая потребляемая мощность;

• высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);

• симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1 %; чувствительность по оси обычно не превышает 3 %);

• возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);

• реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым законом Ньютона. Основные элементы акселерометра – тело, пружина и инерционная масса (ИМ).

Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела. Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ.

В емкостном сенсоре тело и ИМ изолированы друг от друга, и их емкость, или емкостной заряд, измеряется. Когда дистанция между ними уменьшается, емкость увеличивается, и электрический ток идет по направлению к сенсору.

В случае, когда расстояние увеличивается, наблюдается обратная ситуация: сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение. Превосходные характеристики рассматриваемых датчиков основаны на технологии емкостного измерения и хорошо подходят для определения малых изменений в движении.

Чувствительный элемент для определения ускорения сделан из монокристального кремния и стекла. Это обеспечивает сенсору исключительную надежность, высокую точность и устойчивость показаний по отношению к воздействию времени и температуры. Как правило, чувствительный элемент датчика с диапазоном измерений ±1 g выдерживает как минимум 50 000 g ускорений (1 g = ускорение, вызванное силой тяжести Земли). Датчик измеряет ускорение как в положительном, так и в отрицательном направлении и чувствителен к статическому ускорению и вибрации.

«Сердцем» акселерометра является симметричный чувствительный элемент (ЧЭ), изготовленный по технологиям объемной микромеханики, у которого есть два чувствительных конденсатора. Симметрия ЧЭ уменьшает зависимость от температуры и чувствительности по оси и улучшает линейность. Герметичность датчика обеспечивается за счет анодного соединения пластин друг с другом. Это облегчает корпусирование элементов, повышает надежность и позволяет использовать газовое затухание в сенсорном элементе.

При производстве трехосевого акселерометра применяют новую концепцию гетерогенной интеграции для объединения чувствительного элемента МЭМС и микросхемы (ASIC): ЧИП на МЭМС или CoM (Chip-on-MEMS).

Эта концепция основана на комбинации инкапсулированных на уровне пластины 3D-МЭМС-структур, технологии корпусирования на уровне пластины и технологии чипа на пластине. Все указанные процессы уже существуют на протяжении нескольких лет. Их комбинация позволяет решать наиболее сложную проблему корпусирования: как экономически эффективно совместить МЭМС-элементы и интегральные микросхемы. Исходя из описанной концепции, технология включает в себя следующие шаги: перераспределение и изоляция слоев на МЭМС-пластине, нанесение 300 микронных шариков припоя, установка на МЭМС-пластину микросхем, пассивация зазоров между микросхемами и МЭМС, тестирование пластины с МЭМС-устройствами, резка пластины и финальное тестирование и калибровка сенсоров после резки.