Półprzewodnikowe czujniki przyspieszenia, cz. 1.pdf

Klub Konstruktorów

Tym razem w Klubie

Konstruktorów przed−

stawimy scalone

miierniikii przyspiieszeniia

Pierwsza część

artykułu omawia od

podstaw samo

zjawisko

przyspieszenia,

sposoby jego pomiaru

oraz stosowane

czujniki

półprzewodnikowe.

W tej części

zaprezentowano też

różnorodne przykłady

wykorzystania

scalonych czujników

przyspieszenia.

Te informacje wstępne

są konieczne,

by dobrze zrozumieć

ich działanie, a potem

je włąściwie

wykorzystać

W drugiej części

artykułu (za miesiąc)

przedstawione zostaną

konkretne rozwiązania

układowe

oraz wskazówki

dla konstruktorów.

Wtedy też Czytelnicy

będą mogli ubiegać się

o bezpłatne próbki

ufundowane przez

Korporacjję AVT oraz

firmę ALFIINE.

Półprzewodnikowe czujniki

przyspieszenia część 1

Słowo przyspieszenie większości mło−

dych Czytelników skojarzy się natych−

miast z dobrym samochodem. Taki na

przykład amerykański Callaway do

100km/godzinę przyspiesza w ciągu 4,3

sekundy, Porsche 911 Carrera w ciągu 4,2

sekundy, a Bugatti EB110 potrzebuje na

to tylko 3,3 sekundy. Można sobie wyob−

razić, jaka siła wciska w fotele pasażerów

takich samochodów w czasie ostrego

startu.

Samochody dla zwykłych śmiertelni−

ków “do setki” przyspieszają w ciągu

10...15 sekund, a i w nich można się prze−

konać, że podczas przyspieszania, czyli

wzrostu prędkości, daje o sobie znać pe−

wna siła. Nasze czasopismo nie zajmuje

się motoryzacją, jednak interesuje nas w

tej chwili przyspieszenie, a ściślej możli−

wości jego pomiaru. I właśnie dlatego in−

teresuje nas też owa siła, dająca o sobie

znać podczas zmiany prędkości. Przyspie−

szenie nieodłącznie wiąże się z działaniem

siły (siła ta, zgodnie ze szkolnym wzorem

wynosi

F = m * A ,

gdzie F − siła, m − masa, A− przyspieszenie).

Wskaźnikiem przyspieszenia może być

na przykład ciężka metalowa kulka, wi−

sząca na sprężynie. Rysunek 1 pokazuje

taki prosty wskaźnik. Gdy umocujemy taki

wskaźnik pod sufitem samochodu, przy

wzroście prędkości kulka odchylać się

będzie do tyłu. Przy hamowaniu kulka wy−

chyli się do przodu, tym bardziej, czym o−

strzejsze będzie hamowanie. Nietrudno

się domyślić, że odchylenie kulki od poło−

żenia spoczynkowego będzie proporcjo−

nalne do aktualnego przyspieszenia.

Omawiając ten temat należy też wyjaś−

nić kwestię “ujemnego przys−pieszenia”.

Na pierwszy rzut oka wyglądałoby, że

“przyspieszenie dodatnie” to takie, które

wynika ze wzrostu prędkości, a

“przyspieszenie ujemne” nieodłącznie

wiąże się z hamowaniem. Ale powiedze−

nie, że “ujemne przy−spieszenie” związa−

ne jest z hamowaniem, byłoby zbyt dale−

ko idącym uproszczeniem. Co bowiem

będzie się dziać z kulką podczas skrętu?

Nawet wtedy, gdy prędkość będzie

stała, kulka na zakręcie wychyli się w bok.

Analogicznie, gdyby samochód zaczął

wznosić się bądź opadać, kulka przemie−

szczałaby się w dół i w górę.

Już to pokazuje, że taki prosty wskaź−

nik pracuje nie tylko w osi przód − tył (sa−

mochodu), ale we wszystkich trzech o−

siach lewo − prawo i góra − dół. Pokazuje

nie tylko wartość przyspieszenia, ale też

jego kierunek (zwrot). A do precyzyjnego

opisania tego kierunku zazwyczaj określa

się trzy wzajemnie prostopadłe osie (układ

współrzędnych). Potem, aby opisać poło−

żenie bądź kierunek w przestrzeni, trzeba

podać trzy współrzędne (ściślej wektory

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99

Klub Konstruktorów

Rys. 1 Prosty wskaźnik

przyspieszenia

Rys. 3 Zachowanie czujnika w ruchu

składowe). Czyli przy określaniu przyspie−

szenia należałoby podawać albo trzy liczby

wskazujące przyspieszenie odniesione do

poszczególnych osi, albo określać je w ja−

kiś inny skomplikowany sposób. Nie−

wątpliwie byłoby to zadanie trudne. Zna−

cznie łatwiej i sensowniej jest zbudować

urządzenie mierzące przyspieszenie tylko

w jednej osi. W razie potrzeby można

przecież zastosować trzy takie wskaźniki,

umieszczone prostopadle względem sie−

bie.

Ponadto wskaźnik z rysunku 1 miałby

ogromne wady. Przede wszystkim (nietłu−

miona) sprężyna z kulką jest swego rodza−

ju wahadłem i ma silną tendencję do dłu−

gotrwałego kołysania się. Możemy mówić

nawet o częstotliwości rezonansowej ta−

kiego “wahadła”. Częstotliwość ta jest

mała (długi okres drgań). Z grubsza biorąc,

czym większe wymiary, tym dłuższy okres

drgań − duży wskaźnik na pewno nie nada−

wałby się więc do precyzyjnych pomia−

rów. Proste rozumowanie pokazuje, że ko−

rzystne byłoby zmniejszenie rozmiarów

“wahadła”, bo wtedy częstotliwość rezo−

nansowa byłaby większa i można byłoby

precyzyjnie mierzyć nawet szybkie zmiany

przyspieszenia. To też jest ważny wniosek

praktyczny.

Rozumowanie takie doprowadza do

prostej konkluzji: należy zbudować

przyrząd o jak najmniejszych rozmiarach,

mierzący przyspieszenie tylko w jednej

osi.

m/s, który dokonuje się w ciągu 3,3 se−

kundy. Stąd przyspieszenie:

A = 27,7(7)m/s / 3,3s = 8,4m/s 2

Uczniowie w tym miejscu zapewne za−

uważą, że obliczona wartość jest zbliżona

do podawanej w szkole wartości przyspie−

szenia ziemskiego wynoszącej 9,81m/s 2 .

Czy jednak przyspieszenie ziemskie rze−

czywiście ma jakikolwiek związek z

“prawdziwym” przyspieszeniem wy−

stępującym podczas jazdy samochodem?

Czy może jest to tylko przypadkowa zbież−

ność jednostek?

Niektórym wyda się, że przyspieszenie

ziemskie to jedynie jakaś stała fizyczna po−

trzebna tylko w teoretycznych, nudnych

rozważaniach. Z takim przyspieszeniem

spadałoby ciało umieszczone na powie−

rzchni Ziemi, ale... w próżni.

Choć rzeczywiście “prawdziwe” przy−

spieszenie w samochodzie i przyspiesze−

nie ziemskie wynikają z odmiennych przy−

czyn, mają bardzo ważną cechę wspólną i

Czytelnicy tego artykułu koniecznie muszą

sobie to dobrze uświadomić.

Tą wspólną cechą jest wspomniana

wcześniej siła.

Pomocą w zrozumieniu sedna sprawy

będzie rysunek 2, przedstawiający

wnętrze windy z zamontowanym czujni−

kiem przyspieszenia. Tym razem nie

będzie to kulka wisząca na sprężynie, tyl−

ko ciężka kulka zamocowana na pozio−

mym, elastycznym pręcie. Przypuśćmy, że

winda nie ma okien, więc jej pasażerowie

nie widzą, czy winda porusza się, czy po−

zostaje w spoczynku.

Nietrudno się domyślić, że jeśli winda

ruszy do góry, to pasażerowie odczują, że

jakaś siła wciska ich w podłogę. A jak wte−

dy zachowa się kulka pomiarowa z rysun−

ku 2? Oczywiście podczas przyspieszania

odchyli się nieco w dół.

Analogicznie, gdyby widna się urwała,

jej prędkość będzie rosła, i wtedy pasaże−

rowie odniosą wrażenie, że coś ciągnie ich

do góry, a kulka pomiarowa odchyli się w

górę. Ilustrują to uproszczone rysunkii 3a ii

3b Oczywiście gdy winda będzie poruszać

się z dowolną, ale stałą prędkością, kulka

pomiarowa nie będzie się odchylać − prze−

cież jest to wskaźnik przyspieszenia, a nie

prędkości − porównaj rysunek 3c.

Przy omawianiu zachowania kulki po−

miarowej z rysunku 2 zupełnie pominięto

wpływ przyspieszenia ziemskiego. Tym−

czasem na kulkę działa cały czas siła przy−

ciągania Ziemi! Co stałoby się z kulką, gdy−

by niepostrzeżenie dla pasażerów wy−

nieść ją w kosmos, gdzie przyciąganie

ziemskie nie daje o sobie znać?

Na kulkę przestałaby oddziaływać siła

przyciągania ziemskiego i odchyliłaby się

ona w kierunku sufitu (trudno wtedy mó−

wić “do góry”). Ilustruje to rysunek 4a.

Gdyby zamiast pasażerów umieścić w

windzie kamerę, przekazującą obraz na

ziemię, obserwator(−rzy) obrazu z kamery

nie potrafiliby ustalić, czy winda właśnie

przyspiesza, spadając na Ziemię, czy znaj−

duje się w przestrzeni kosmicznej − poró−

wnaj rysunki 4a oraz 3b. Na marginesie

warto dodać, że mniej więcej w ten spo−

sób we wnętrzu pikującego samolotu wy−

twarza się warunki bliskie nieważkości, i

kręci się zdjęcia “z kosmosu” do filmów,

np. o wyprawie Apollo 13.

Jeśli tak, to “normalna” sytuacja z ry−

sunku 2 oraz 3a wcale nie jest “normal−

na”. Na powierzchni Ziemi na kulkę cały

czas działa siła przyciągania związana z

przyspieszeniem ziemskim, oznaczanym

małą literą g (g = 9,81m/s2), to również

znaczy, że obserwatorzy nie są w stanie

odróżnić, czy siła odchylająca kulkę pomia−

rową jest wynikiem zmian prędkości czy

też wynikiem przyciągania ziemskiego −

porównaj rysunek 2 oraz 4b.

Przyspieszenie ziemskie

Z dotychczasowych rozważań wynika,

że przyspieszenie to po prostu zmiana

prędkości w czasie. Gdy wyrazimy pręd−

kość i zmiany prędkości w metrach na se−

kundę (a nie w zwyczajowo używanych ki−

lometrach na godzinę), to jednostką przy−

spieszenia będzie metr na sekundę pod−

niesioną do drugiej potęgi. Z tą “sekundą

do kwadratu” nie ma problemu, bo po pro−

stu chodzi o metr na sekundę (przyrost

prędkości) na sekundę (czas trwania przy−

spieszenia) − naprawdę nic trudnego.

Przyspieszenie wspomnianego Bugatti,

czyli przyrost prędkości od 0 do 100 kilo−

metrów na godzinę, to przyrost o 27,7(7)

Rys. 2 Winda z czujnikiem przyspie−

szenia

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99

Klub Konstruktorów

Rys. 4 Zachowanie czujnika w kosmosie

sunku 5c, wskazanie będzie ró−

wne −9,81m/s 2 czyli −g.

Takie zachowanie czujnika u−

możliwia nie tylko łatwą kalib−

rację, ale otwiera szerokie moż−

liwości jego stosowania. Czuj−

nik przyspieszenia jest więc je−

dnocześnie... czujnikiem na−

chylenia w stosunku do powie−

rzchni Ziemi. I w takich zasto−

sowaniach jest coraz częściej

wykorzystywany. Rysunek 6 i−

lustruje takie zastosowanie.

W tym miejscu staje się też

jasne, dlaczego jednostką przy−

spieszenia częściej używaną w praktyce

jest nie m/s2 (metr na sekundę do drugiej

potęgi) tylko g (wartość przyspieszenia

ziemskiego). W katalogach powszechne

są oznaczenia typu: 2g, ±5g, 50g, −0,25g

czy wreszcie 5mg.

Rozszyfrowanie pierwszych czterech

nie sprawia żadnych trudności. Biorąc pod

uwagę, że g=9,81m/s 2

2g = 19,62 m/s 2

±5g = ±49,05m/s 2

50g = 490,5m/s 2

−0,25g = − 2,4525m/s 2

Kłopoty może sprawić oznaczenie mg,

kojarzące się z miligramem. Rzecz jasna

chodzi tu o mili−g czyli 0,001g równe

0,00981m/s 2 . To trzeba wiedzieć, ale nie

warto przeliczać katalogowych danych;

trzeba po prostu przyzwyczaić się od wy−

rażania przyspieszenia w g, a nie w m/s 2 .

Dla zorientowania warto poznać typo−

we przyspieszenia spoty−

kane w praktyce. Jak

wspomniano na po−

czątku, najszybsze sa−

mochody sportowe mają

przyspieszenie sięgające

co najwyżej 1g, zwykłe

samochody osobowe

1...2m/s 2 czyli mniej wię−

cej 0,1...0,2g. Ale

wzmiankowany wcześ−

niej maluch z kiepskim

kierowcą może podlegać

nieporównanie większym

przyspieszeniom. Nastąpi to przy czoło−

wym zderzeniu bądź uderzeniu w mur lub

mocny słup. Wtedy (ujemne) przyspiesze−

nie pasażerów sięgnie wartości nawet kil−

kudziesięciu g (bo prędkość pasażerów, z

załóżmy opty−

mistycznie

100km/h, zma−

leje do zera w

ciągu ułamka

sekundy).

Jeszcze go−

rzej jest, gdy

zrzucimy ciężki

i twardy przed−

miot (np. moni−

tor komputera) na twardą, betonową pod−

łogę. Ponieważ nie ma wtedy żadnej a−

mortyzacji, a prędkość musi zmaleć do ze−

ra w bardzo krótkim ułamku sekundy, ele−

menty mogą doznać przyspieszenia do

1000g!

Przedstawione rozważania potwier−

dzają wcześniejszy wniosek, iż kwestia,

czy przyspieszenie jest dodatnie czy ujem−

ne, nie zależy od tego czy prędkość wzra−

sta, czy maleje. Decydujące znaczenie ma

fakt, czy siła działa w stronę umownie

przyjętą jako dodatnia, czy w stronę prze−

ciwną. W katalogach czujników przyspie−

szenia zawsze znajdują się rysunki obu−

dów pokazujące, który kierunek (oś) jest

kierunkiem aktywnym i przy jakim położe−

niu w stosunku do powierzchni Zsiemi

sygnał jest dodatni.

Kalibracja

Opisanie zachowania kulki (masy) po−

miarowej w windzie ma ważne konsek−

wencje praktyczne. Z przedstawionych

rozważań jasno wynika, że w “normal−

nych” warunkach (spoczynek na powie−

rzchni Ziemi) wskaźnik wcale nie jest w

spoczynku, tylko zachowuje się dokładnie

tak, jak podczas ruchu z przyspieszeniem

ziemskim g (dlatego na rysunkach 2...4

jest nieco nachylony w kierunku Ziemi). I−

naczej mówiąc, na powierzchni Siemi

wskaźnik pokazuje przyspieszenie ziem−

skie, równe właśnie 1g − porównaj rysunki

2 i 3c oraz 4b.

Wskaźnik pokaże zerowe przyspiesze−

nie, czyli znajdzie się w rzeczywistym po−

łożeniu spoczynkowym dopiero gdzieś da−

leko w kosmosie, albo prościej, na ziemi

po położeniu windy na boku (tak, ponie−

waż czujnik pracuje jedynie w osi góra−

dół). W innym przypadku, gdyby windę u−

stawić “do góry nogami”, pokazany pro−

sty czujnik wskaże wartość przyspieszenia

równą −g, a ewentualni obserwatorzy nie

będą w stanie stwierdzić, czy jest to wynik

gwałtownej zmiany prędkości, czy posta−

wienia windy “na głowie” w ziemskim po−

lu grawitacyjnym.

Takie zachowanie umożliwia przepro−

wadzenie kalibracji czujnika przyspiesze−

nia w zaskakująco prosty sposób. Ilustruje

to rysunek 5. Przy umieszczeniu czujnika

w pozycji neutralnej wskazuje on przyspie−

szenie równe 0 − rysunek 5a. W pozycji od−

powiadającej tej z rysunku 5b, czujnik

wskazuje przyspieszenie +9,81m/s 2 czyli

+g. W pozycji odpowiadającej sytuacji z ry−

Zastosowania

Najbardziej oczywistym przykładem za−

stosowań mierników czy też czujników

przyspieszenia są wyzwalacze poduszek

powietrznych w samochodach. Rzecz nie

tylko w tym, żeby niezawodnie wyzwolić

poduszkę − praktyka dowiodła, iż nazbyt

często poduszki zostają uruchomione nie−

potrzebnie. Precyzyjne mierniki przyspie−

szenia i współpracująca elektronika za−

dbają, by poduszki zostały uruchomione

tylko w razie rzeczywistej potrzeby.

W samochodach czujniki przyspiesze−

nia znajdują zastosowanie także w u−

rządzeniach sygnalizacyjnych oraz alarmo−

wych. Fotografiia 2 pokazuje inercyjny

Rys. 6 Pomiar nachylenia

włącznik świateł STOP do motocykla.

Światła stopu są włączane nie tylko przy

naciśnięciu pedału hamulca − są zaświeca−

ne także podczas hamowania silnikiem, co

jest istotne zwłaszcza w motocyklach

sportowych.

Jeszcze inną możliwością wykorzysta−

nia mierników przyspieszenia w motoryza−

cji jest tak zwana nawigacja inercyjna. Da−

je ona możliwość określania swej pozycji

na podstawie pomiaru przyspieszenia oraz

czasu. Każdy może przeprowadzić na−

stępujące doświadczenie: zakryć sobie

starannie oczy, wsiąść do samochodu i

poprosić kierowcę, by pojechał jakąś do−

brze znaną trasą do określonego punktu w

Rys. 5 Winda jako miernik przyspieszenia

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99

Klub Konstruktorów

mieście. Podczas jazdy, mając zakryte o−

czy (a może także zatkane uszy) można z

dużym prawdopodobieństwem określić,

gdzie aktualnie znajduje się samochód.

Podstawą będzie poczucie czasu oraz po−

miary przyspieszenia odczuwane jako

drgania, wibracje, wciskanie w fotel, wy−

chylanie do przodu czy na boki. Pozwoli to

określić, czy samochód jedzie po długiej

prostej ulicy, czy przejeżdża przez tory ko−

lejowe, czy właśnie hamuje przed ostrym

zakrętem. Nietrudno się domyślić, że

mając do dyspozycji dokładny zegar, pre−

cyzyjne mierniki przyspieszenia (tym ra−

zem konieczny jest pomiar w trzech o−

siach) oraz znając sytuację początkową,

można podczas podróży precyzyjnie o−

kreślić aktualne położenie w przestrzeni.

Nie tylko można, czujniki przyspieszenia

już teraz bywają wykorzystywane do tego

rodzaju nawigacji − nawigacji inercyjnej.

Fascynującym przykładem tego typu

zastosowania jest inteligentne pióro na−

zwane SmartQuill. Urządzenie to powsta−

ło w pracowniach British Telecommunica−

tions. Fotografiia 3 pokazuje ten rewolucyj−

ny wynalazek. Pióro to jest w rzeczywi−

stości miniaturowym komputerem,

współpracującym z trzyosiowym czujni−

kiem przyspieszenia. Zasilane jest jedną

baterią AAA i ma na pokładzie 4MB pamię−

ci. Jak działa?

Jak się łatwo domyślić, czujniki przy−

spieszenia i wbudowany komputer anali−

zują ruchy pióra. W ten oryginalny sposób

można zamieniać tekst pisany na zapis e−

lektroniczny (tekst ASCII). Można też zapa−

miętywać rysunki.

Choć w zasadzie jest to prawdziwe pió−

ro (raczej długopis), można nim pisać nie

tylko na kartce papieru, ale także... w po−

wietrzu − przecież system rejestruje nie

ślady na papierze, tylko ruchy pióra.

Urządzenie nie tylko pełni funkcję inteli−

gentnego pióra, przekazującego tekst lub

rysunki do nadrzędnego komputera. Może

także zapisywać i odtwarzać dźwięk. Ma

wbudowany maleńki ekran, którego za−

wartość można przewijać odpowiednio

nachylając pióro. Może współpracować z

telefonem komórkowym, modemem, pa−

Fot 3 Pióro SmartQuills

go (statycznego) jest bardzo ważna dla

Czytelników EdW, którzy chcieliby wyko−

rzystać te nowoczesne elementy. Jak po−

kazuje rysunek 6, opisywane dalej czujniki

mogą mierzyć przyspieszenie statyczne

(ziemskie) ,a tym samym określać kąt na−

chylenia czujnika względem powierzchni

Ziemi. Jest to ogromnie ważna sprawa, bo

otwiera nieprzebrane możliwości intere−

sujących zastosowań. Niedawno (wrze−

sień ‘98) firma Analog Devices doniosła, iż

dostarcza swe czujniki przyspieszenia fir−

mie Microsoft, która stosuje je w nowych

urządzeniach sterujących do gier kompu−

terowych. Urządzenie takie chyba nie ma

jeszcze polskiej nazwy (SideWinder ® Free−

style Pro), w każdym razie sytuacja na e−

kranie jest zmieniana nie myszą czy joy−

stickiem, ale nowym urządzeniem, które

reaguje na ruchy i pozycję ciała gracza. U−

rządzenie to zostało przyjęte z zachwytem

i ocenione przez graczy jako nieporówna−

nie lepsze od przycisków czy joystików,

pozwalające sterować akcją w sposób bar−

dziej intuicyjny.

Mierniki przyspieszenia znajdują także

zastosowanie w urządzeniach militarnych,

w specjalistycznej aparaturze kontrolno−

pomiarowej, w automatyce i obwodach

zabezpieczenia. Przykładowe obszary za−

stosowań to kontrola wind, schodów ru−

chomych, dźwigów, itp.

Na marginesie należy stwierdzić, że w

niektórych przypadkach w roli czujników

przyspieszenia dobrze zdają egzamin pro−

ste w budowie czujniki piezoelektryczne.

Podczas drgań (wibracji) wytwarzają one

zmienne napięcie odwzorowujące

wstrząsy. Trzeba jednak zdecydowanie

podkreślić, że czujniki piezoelektryczne

nie nadają się do pomiarów statycznych,

czyli na przykład do pomiarów nachylenia

(przyspieszenia ziemskiego). Do pomia−

rów nachylenia muszą być wykorzystane

przyrządy działające na innej zasadzie.

Właśnie takie czujniki są opisane w tym ar−

tykule.

gerem. Pełni też funkcje notatnika, kalen−

darza, spisu adresów i telefonów, kalkula−

tora, budzika.

Właściciel może zabezpieczyć dostęp

do funkcji urządzenia za pomocą oryginal−

nego hasła. Hasłem jest w tym wypadku...

podpis właściciela. Żeby po wprowadze−

niu takiego zabezpieczenia skorzystać z

zalet cudownego pióra, użytkownik musi

najpierw złożyć podpis. Jeśli będzie to

właściwy podpis, uzyska dostęp do do−

stępnych funkcji. Gdyby jednak właściciel

zgubił swe pióro, zawierające także osobi−

sty notatnik oraz bazę (tajnych) adresów,

przypadkowy znalazca nie będzie mógł z

nich skorzystać, bo nie potrafi sfałszować

podpisu − hasła. Dalsze informacje na ten

temat można znaleźć na stronie interneto−

wej British Telecommunications

www.innovate.bt.com/showcase/smartquill/

Przetworniki przyspieszenia znajdują tak−

że zastosowanie do badania wstrząsów i

wibracji, na przykład w urządzeniach diagno−

stycznych, określających na ich podstawie

stopień zużycia łożysk, przekładni i innych

mechanizmów. Innym interesującym przy−

kładem zastosowania są rejestratory

wstrząsów stosowane w transporcie.

Mierzą one i zapamiętują wstrząsy wy−

stępujące przez cały czas transportu, poz−

walając potem określić a następnie wyelimi−

nować przyczyny uszkodzenia przewożo−

nych delikatnych towarów.

Jak się można domyślić mierniki takie

mogą być wykorzystane przy trzęsieniach

ziemi. I wcale nie chodzi tu o przewidywa−

nie dużych wstrząsów na podstawie

wcześniejszych mniejszych − do tego

zresztą opisywane dalej elektroniczne

mierniki przyspieszenia niezbyt się nadają

ze względu na ograniczoną rozdzielczość i

znaczny poziom szumów własnych. Czuj−

niki przyspieszenia odgrywają ważną

rolę... już po wystąpieniu wstrząsów. Nie

wszyscy wiedzą, że często więcej strat

wywołują nie same trzęsienia, ale pożary

podsycane przez gaz wydobywający się z

uszkodzonych przewodów sieci gazowej.

Czujniki przyspieszenia współpracujące z

zaworami awaryjnymi odetną dopływ ga−

zu w momencie trzęsienia ziemi.

Omówiona w poprzednich śródtytułach

sprawa pomiaru przyspieszenia ziemskie−

Praktyczne rozwiązania

Idea pomiaru przyspieszenia z wykorzy−

staniem określonej masy pomiarowej jest

bardzo prosta i znana od dawna. Od kilku−

dziesięciu lat placówki badawcze prezen−

tują kolejne opracowania “elektron−

icznych” czujników przyspieszenia. Pro−

blem polega na tym, że potrzebne są takie

czujniki i mierniki przyspieszenia, które by−

łyby precyzyjne, stabilne, trwałe oraz co

chyba najważniejsze − tanie. Tylko wtedy

mają szansę na szersze upowszechnienie.

Nietrudno się domyślić, że niskie koszty

można uzyskać tylko przy masowej pro−

dukcji, najlepiej z użyciem automatów, bez

udziału człowieka. Ceny dzisiejszych ukła−

dów scalonych są przykładem, jak bardzo

można obniżyć koszty precyzyjnych i zło−

Fot 2 Sygnalizator hamowania

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99

Klub Konstruktorów

Rys. 7 Pojemnościowa metoda pomiaru

ry różnicowe, analogicznie jak na rysunku

7. Ciekawostką może być sprawa pojem−

ności takiego czujnika. Wymiary grzebie−

nia (około 0,5mm x 0,6mm) wskazują, że

pojemność jest mała. Rzeczywiście mała −

całkowita pojemność między grupami

zębów wynosi tylko 0,1pF! Maksymalne

zmiany pojemności pod wpływem przy−

spieszenia wynoszą co najwyżej ±0,01pF,

natomiast współpracujący układ elektroni−

czny jest w stanie wykryć zmiany pojem−

ności rzędu 10...20aF. To nie pomyłka w

druku, 1aF to 1 attofarad = 0,001fF (fem−

tofarada) = 0,000001pF.

Także “masa pomiarowa” (rys. 9) jest

zadziwiająco mała − około 0,1µg (czyli

0,0001 miligrama). Poszczególne zęby

żonych wyrobów, stosując nowoczesne

technologie i masową produkcję. Nie−

wątpliwie wykorzystanie tych znanych i

dobrze opanowanych technologii umożli−

wiłoby masową i tanią produkcję także

mierników przyspieszenia. Tylko jak to zro−

bić?

Od około dwudziestu lat trwają badania

nad możliwościami wykonania mierników

przyspieszenia przy zastosowaniu techno−

logii takiej samej, jak do produkcji układów

scalonych.

Generalnie istnieją dwie główne grupy

rozwiązań.

Pierwsza wykorzystuje sposób stoso−

wany powszechnie do budowy półprze−

wodnikowych czujników ciśnienia (opis w

EdW 11/96). W czujnikach ciśnienia cie−

niutka i elastyczna membrana krzemowa

ulega odkształceniu (wybrzuszeniu) pod

wpływem różnicy ciśnień z obu stron

membrany. W czujnikach przyspieszenia

na środku membrany umieszczona jest

masa pomiarowa (odpowiednik wspo−

mnianej kulki). Przyspieszenie powoduje

powstanie siły, która odkształca mem−

branę. Do pomiaru tego odkształcenia

można wykorzystać przynajmniej dwa

sposoby. W pierwszym w membranę w

procesie technologicznym wbudowane są

elementy piezorezystancyjne. Ich rezy−

stancja zmienia się podczas odkształcania

membrany. Sygnałem wyjściowym są

zmiany rezystancji elementów piezorezy−

stancyjnych (zwykle czterech w połącze−

niu mostkowym). Przyrządy tego typu nie

weszły jednak do masowej produkcji ze

względu na wymiary (duże jak na elemen−

ty półprzewodnikowe), trudności z umie−

szczeniem towarzyszącego układu elek−

tronicznego na tej samej płytce krzemo−

wej oraz trudności związane ze stabilnoś−

cią i kalibracją.

Drugim sposobem pomiaru przemie−

szczenia masy pomiarowej i membrany

jest potraktowanie ich jako środkowej e−

lektrody kondensatora różnicowego. Ge−

neralną zasadę ilustruje rysunek 7.. W spo−

czynku pojemności C1 i C2 są równe, na−

tomiast gdy działa siła związana z przyspie−

szeniem, pojemności się zmieniają. Taką

metodę wykorzystuje firma Motorola w

swych czujnikach MMAS40G10D oraz

MMAS40GWB, przeznaczonych do zasto−

sowań motoryzacyjnych, zwłaszcza do

wyzwalania poduszek powietrznych.

Wnętrze takiego miernika przyspieszenia

(zawierajacego dwie struktury półprzewo−

dnikowe) jest pokazany na rysunku 8..

A oto druga główna grupa rozwiązań.

Przed około dziesięcioma laty firma Ana−

log Devices przedstawiła inną koncepcję

scalonego miernika przyspieszenia, ró−

wnież wykorzystującego metodę pojem−

nościową. Rysunek 9 pokazuje ogólną i−

deę. Wszystko wykonane jest z krzemu.

Masa pomiarowa (proof mass), zamoco−

wana na swego rodzaju sprężynkach, wy−

posażona jest w szereg długich i wąskich

zębów (teeth), tworzących dwustronny

grzebień. Nie jest to jakaś oddzielna kon−

strukcja, tylko (uwaga!) ruchomy element

umieszczony tuż nad powierzchnią typo−

wej struktury układu scalonego. Najistot−

niejsze jest to, że cały ten mikromecha−

nizm wytwarzany jest w typowym proce−

sie produkcji układów scalonych. Tym sa−

mym zarówno ruchomy czujnik pomiaro−

wy, jak i współpracujące obwody elektro−

niczne wykonywane są w jednym proce−

sie technologicznym. Interesujące jest, jak

udaje się wytworzyć ruchomy element na

powierzchni, a właściwie dwa mikrometry

nad powierzchnią płytki krzemowej. Nie

wdając się w szczegóły można powie−

dzieć, że wykorzystuje się tu różną odpor−

ność na trawienie obszarów krzemu o róż−

nej strukturze i domieszkowaniu. Po pro−

stu dzięki wcześniejszym procesom, te

obszary płytki, które mają później stano−

wić ruchome elementy są tak przygoto−

wywane, by były odporne na trawienie.

Obszary “niepotrzebne” mają inne właści−

wości i zostaną wytrawione. Jak widać,

wytrawiona zostaje część krzemu znajduj−

ąca się także pod grzebieniem. Potem

grzebień zawieszony na krzemowych

sprężynkach trzyma się płytki dzięki pozo−

stawieniu “kotwic” − punktów podparcia

(anchor), związanych z główną płytką. W

efekcie powstaje przypominająca dwu−

stronny grzebień misterna konstrukcja,

która może się poruszać w jednej osi.

Jak pokazuje rysunek 9, czujnik ma nie

jeden rząd zębów, lecz jakby trzy rzędy.

Dwa pozostałe zespoły zębów zamocowa−

ne są na stałe do powierzchni płytki głó−

wnej. Każdy z zębów ruchomego grzebie−

nia współpracuje z dwoma innymi zębami,

umocowanymi na stałe na powierzchni

płytki. Te dodatkowe dwie grupy zębów

tworzą z zębami “grzebienia” kondensato−

Rys. 8 Czujnik przyspieszenia firmy

Motorola

grzebienia mają wymiary 2µm x 200µm, a

odstępy między zębami (czyli okładzinami

kondensatora) wynoszą około 2µm.

Mikroskopowe fotografie 4 i 5 poka−

zują, jak w rzeczywistości wygląda ta

część mechaniczna. Fotografia 7 przedsta−

wia cały układ scalony: czujnik wraz ze

współpracującą elektroniką.

Rysunek 10 pokazuje uproszczony

schemat blokowy takiego układu scalone−

go. Gdy na ruchomy grzebień (masę po−

miarową) nie działa żadna siła, ruchomy

ząb znajduje się w równej odległości od

dwóch współpracujących zębów

“stałych” i tym samym obie pojemności

kondensatora różnicowego są równe. Gdy

pod wpływem przyspieszenia, grzebień

się przemieści, te dwie pojemności będą

się różnić. Aby monitorować te zmiany po−

jemności, na dwa stałe zęby (zestawy

zębów) podawany jest przebieg prosto−

kątny o tej samej częstotliwości i amplitu−

dzie, lecz przeciwnej fazie. Taki mostkowy

sposób pomiaru jest często wykorzysty−

wany w precyzyjnej aparaturze. W stanie

równowagi, gdy pojemności są równe, na

ruchomym grzebieniu (czyli środkowej ok−

ładzinie kondensatora różnicowego) nie

występuje żaden przebieg. Gdy grzebień

się przesunie, pojemności będą różne i

wystąpi na nim przebieg prostokątny o

amplitudzie zależnej od wielkości przesu−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: