Accelerometre MEMS

Accelerometrul este un senzor capabil să măsoare forțele de accelerație care acționează asupra unui obiect, pentru a determina schimbările de poziție în spațiu și pentru a monitoriza mișcarea obiectului. Principiul fizic al inerției este folosit în detectarea accelerației unui corp în mișcare, care este transformată de senzor într-o mărime electrică. Accelerația este o mărime vectorială, fiind raportul dintre variația vitezei unui obiect într-un interval de timp. Există 2 tipuri de forțe de accelerație: forțe statice și forțe dinamice. Forțele statice sunt forțe care sunt aplicate în mod constant asupra obiectului (cum ar fi gravitația și frecarea). Forțele dinamice sunt forțe „în mișcare” aplicate obiectului la diferite viteze (cum ar fi vibrațiile sau un șoc la o lovitură). Acesta este motivul pentru care accelerometrele sunt utilizate, de exemplu, în sistemele de siguranță în cazul coliziunilor auto. Când o mașină este acționată de o forță dinamică puternică, accelerometrul (detectând o decelerare rapidă) trimite un semnal electronic către un computer încorporat, care, la rândul său, activează airbagurile.

Accelerometrele sunt în esență senzori mecano – electrici care măsoară accelerația, ce include componente de accelerație cauzate de mișcarea dispozitivului și accelerația datorată gravitației. Accelerația este măsurată în g, care sunt multipli ai forței gravitaționale a pământului (1g = 9,8 m/s²). Accelerometrele sunt disponibile cu axe simple, duble sau triple, definite într-un sistem de coordonate X, Y, Z. Accelerometrul măsoară orientarea statică a dispozitivului calculând unghiul măsurat al dispozitivului, în comparație cu forța gravitațională.

Senzorii de accelerație sunt aproape omniprezenți, de exemplu pentru a detecta schimbările în orientarea ecranului dispozitivelor smart și dispozitivelor de joc, deplasarea corpului și mișcarea mâinilor. Senzorii de accelerație sunt utilizați împreună cu senzori giroscopici pentru controlul altitudinii și direcției în drone. Tehnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) utilizează procedeele actuale de fabricație tridimensională de precizie, din industria dispozitivelor integrate semiconductoare, pentru a crea simultan mai mulți senzori, circuite, piese mobile și alte componente pe o placă de siliciu. Proiectanții cer performațe ridicate, în special în ceea ce privește lățimea de bandă și sensibilitatea accelerometrului.

Accelerometrul MEMS se alege pentru domeniul de aplicație

Detalii la Analog Devices: https://www.embeddedcomputing.com/technology/iot/wireless-sensor-networks/choosing-the-most-suitable-mems-accelerometer-for-your-application-part-1

Tipuri de accelerometre

Există 3 tipuri diferite de accelerometre: piezoelectrice, piezorezistive și capacitive. Fiecare dintre ele este proiectat pentru a funcționa eficient în diverse medii.

Accelerometrele piezoelectrice utilizează efectul piezoelectric (materialele piezoelectrice produc electricitate atunci când sunt supuse stresului fizic) pentru a simți schimbarea accelerației. Accelerometrele piezoelectrice sunt cel mai frecvent utilizate în măsurarea vibrațiilor și a șocurilor.

Accelerometrele piezorezistive sunt mai puțin sensibile decât accelerometrele piezoelectrice și sunt mai potrivite pentru reacții la accidentele vehiculelor. Un accelerometru de tip piezorezistiv își mărește rezistența proporțional cu cantitatea de presiune aplicată acestuia.

Accelerometrele capacitive (electrostatice) folosesc modificarea capacității electrice, în urma deplasării inerțiale a unor plăci de condensatoare, indicând accelerația unui obiect. Când senzorul suferă o accelerație, aria comună (față în față) a plăcilor condensatorului variază pe măsură ce senzorului este accelerat.

Accelerometrul MEMS capacitiv constă dintr-o structură bazată pe siliciu, cu o masă de probă inerțială între arcuri, sensibilă la accelerație, situată între 2 plăci din sticlă, de acoperire superioară și inferioară. Matricea de electrozi de pe masa de probă și matricea de electrozi fixați pe placa de sticlă superioară, separate de un spațiu fix (d) deasupra masei de probă formează plăcile de condensator cu arie variabilă (A). Mișcare într-un plan a masei inerțiale duce la variația capacității C = εA/d (ε – permitivitatea electrică a dielectricului) și la variația tensiunii (C = Q/U).

Majoritatea accelerometrelor sunt minuscule, fiind realizate prin tehnologia MEMS. Datorită dimensiunii și accesibilității lor, acestea sunt încorporate într-o multitudine de dispozitive electronice portabile (telefoane, tablete și controlere de jocuri video, brățări de monitorizare). La telefoane și tablete, accelerometrul este responsabil pentru „răsucirea” ecranului atunci când dispozitivul este rotit. Accelerometrele sunt folosite în domeniul auto (în special pentru sesizarea de coliziune), în fabrici (monitorizarea vibrațiilor mașinilor) și chiar de zoologi (pentru a urmări mișcarea animalelor în sălbăticie).

Cererea pentru senzori cu sensibilitate mare la nivele mici de variație a accelerației gravitaționale (g) este în expansiune.

Accelerometrele au ieșire AC sau DC

Există 2 clase de accelerometre, cu semnal de ieșire AC sau DC. Principala diferență este că, la un răspuns DC, ieșirea este capabilă să dea semnal până la zero Hz. Accelerometrele DC sunt cele mai frecvent utilizate, având nivele de sensibilitate mare pentru a măsura schimbări mici de mișcare. Din clasa de accelerometre DC, cel mai utilizat este de tip capacitiv, care poate fi găsit în aplicații comerciale mari, cum ar fi sistemele de airbag auto și dispozitivele mobile. Senzorii capacitivi convertesc accelerarea unui obiect în curent sau tensiune.

Accelerometre MEMS. Evoluție și îmbunătățiri

Prin tehnologia MEMS, se obțin costuri de fabricație scăzute. Atracția accelerometrelor MEMS constă, de asemenea, în capabilitatea lor de a funcționa la temperaturi scăzute, de a avea niveluri reduse de zgomot și o disipare redusă de putere.

Cerințele actuale sunt legate de un raport semnal-zgomot cât mai bun și de o gamă dinamică largă, împreună cu păstrarea unei geometrii fizice miniaturale. Accelerometrele MEMS cu o singură axă sunt limitate la informații pe care le pot colecta numai dintr-o singură direcție. Evident, concentrarea industriei pe flexibilitate, costuri reduse și amprente mici a dus la dezvoltarea de accelerometre pe mai multe axe, într-o singură capsulă.

CoventorWare

Pentru a reduce erorile în aplicație, proiectanții utilizează diverse programe software de simulare și de calibrare. CoventorWare este o suită integrată de software de proiectare și simulare care are precizia, capacitatea și viteza pentru a aborda proiectele MEMS din lumea reală. Suita are multe caracteristici specifice MEMS pentru modelarea și simularea unei game largi de dispozitive MEMS, inclusiv senzori inerțiali (accelerometre și giroscoape), microfoane, rezonatoare și actuatoare. Utilizatorii software-ului pot modela o gamă largă de accelerometre MEMS: electrostatice, electro-mecanice cuplate, piezoelectrice, piezorezistive și efecte de amortizare.

Amănunte: https://www.coventor.com/products/coventormp/coventorware/

Senzorul AXO™315 al TDK Corporation și Tronics Microsystems

Tronics AXO315, este un accelerometru MEMS sensibil pe o singură axă, echipat cu o interfață digitală de 24-biți și se pretinde că depășește prin precizie și fiabilitate ridicate senzorii MEMS deja comercializați, prin funcționarea la temperaturi severe și la vibrații intense. Gamă de măsură ±14 g, cu o corectare remarcabilă erorilor de vibrație de 4g, pentru aplicații industriale precise și un control al înclinării. Senzorul AXO315 al TDK funcționează în gama de temperatură -55°C la +105°C, alimentat la 5V. Dimensiuni: 12 × 12 × 5.5 mm.

TDK face disponibil un kit de evaluare bazat pe Arduino pentru acest senzor, cu scopul de a ajuta inginerii să obțină funcționalități de testare mai bune. Folosirea unui dispozitiv portabil împreună cu o platformă electronică de prototipare, ca Arduino, permite utilizatorilor să proiecteze și să testeze oriunde. Aceasta reprezintă o soluție promițătoare la noul stil de lucru la domiciliu, pe care majoritatea producătorilor au trebuit să îl adapteze.

Accelerometrele MEMS cresc lățimea de bandă pentru date centralizate

Accelerometrele MEMS, cum ar fi AXO315, sunt un pas în direcția corectă, deoarece oferă o lățime de bandă cu puțin peste 300Hz, dar cu o rată de date de 2500Hz, oferindu-i un ușor avantaj față de piața actuală.

Pentru a atinge rata crescândă a transferului de date în electronică, o creștere a lățimii de bandă ar permite utilizarea mai multor accelerometre MEMS în centre de date și aplicații de informații extrem de sensibile (militare, navigație).

TDK Corporation a lansat o nouă familie de Unități de Măsurare Inerțiale – IMU InvenSense, de înaltă performanță și toleranță la defecțiuni, destinată aplicațiilor industriale. Noile produse, IIM-46234 și IIM-46230, includ senzori IMU pe 6-axe (3-axe Giroscop, 3-axe Accelerometru). InvenSense, Inc., o companie a grupului TDK, este un furnizor mondial de platforme de senzori MEMS.

IIM-46234 este un dispozitiv SmartIndustrial™ cu măsurare pe 6-axe MotionTracking, care combină giroscoape pe 3-axe și accelerometre pe 3-axe, într-un modul de 23 × 23 × 8,5 mm și oferă o interfață SPI, UART. Gama de temperatură: -40°C la +85°C.

IIM-46234 include multe capabilități pentru măsurători inerțiale ușor de realizat, robuste și precise în aplicații industriale.

TDK DK-42605 IMU (Inertial Measurement Unit), Development Kit, ICM-42605 6-Axis Motion Tracker, InvenSense, Accelerometer, Gyroscope

https://invensense.tdk.com/products/motion-tracking/6-axis/iim-46234/
https://www.macnica.co.uk/news/news-archive/2020-01-23-tdk-announces-fault-tolerant-motion-sensing-product-family-industrial

Notă.
Implicații privind confidențialitatea datelor accelerometrului: o revizuire a posibilelor inferențe

Accelerometrele sunt senzori pentru măsurarea forțelor de accelerație. Acestea pot fi găsite încorporate în multe tipuri de dispozitive mobile, inclusiv tablete, laptop-uri, smartphone-uri și smartwatch-uri. Unele utilizări uzuale ale accelerometrelor încorporate sunt stabilizarea automată a imaginii, detectarea orientării dispozitivului și detectarea tremurului.

Spre deosebire de senzorii precum microfoanele și camerele de luat vederi, accelerometrele sunt considerate pe scară largă ca neintrusive în confidențialitate.

Traseul verde indică traiectoria mișcării obținută din datele accelerometrului. Traseul roșu indică traseul dedus. Traseul albastru indică ruta reală parcursă (date GPS).

Acest sentiment se reflectă în politicile de protecție ale sistemelor de operare mobile actuale, în care aplicațiile terțe pot accesa datele accelerometrului fără a necesita permisiunea de securitate. Cu toate acestea, s-a arătat în experimente că senzorii aparent inofensivi pot fi folosiți ca un canal lateral pentru a deduce informații extrem de sensibile despre oamenii din vecinătatea lor.

Analizând diverse rapoarte din literatura existentă, s-a constatat că datele accelerometrului pot fi suficiente pentru a obține informații despre locația titularului dispozitivului, activitățile desfășurate, starea de sănătate, caracteristicile corpului, sexul, vârsta, trăsăturile de personalitate și starea emoțională. Semnalele de accelerație pot fi folosite chiar pentru a identifica în mod unic o persoană pe baza modelelor de mișcare biometrică și pentru a reconstrui secvențe de text introduse într-un dispozitiv, inclusiv parole. În lumina acestor inferențe posibile, se ridică cerința ca accelerometrele să fie reevaluate urgent în ceea ce privește implicațiile lor de confidențialitate, împreună cu ajustările corespunzătoare la mecanismele de protecție a senzorilor.

Aplicații

Accelerometrele sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații într-o varietate de industrii. Câteva exemple de aplicații:

• Testarea produsului (ex. un vehicul la accelerare)
• Testarea structurii (clădiri și poduri)
• Dispozitive electronice (montate pe tablete și telefoane mobile)
• Monitorizarea stării de funcționare (vibrații în pompe, compresoare, ventilatoare și alte mașini)
• Urmărirea la distanță a animalelor
• Sisteme de seismologie
• Sisteme de navigație inerțială
• Gravimetrie

Accelerația este măsurată în MEMS, prin detectarea schimbării capacității. Pe măsură ce senzorul este accelerat, materialul de siliciu (albastru), ca un arc, rămâne în urmă și variază distanța dintre plăcile capacitive (casetele roșii), deci capacitatea (C). Tensiunea (U) variază atunci când sarcina (Q) este constantă. Din relația C = Q/U se determină magnitudinea accelerației unui obiect.

Tipuri de accelerometre

Accelerometrele piezoelectrice se bazează pe un material piezoelectric – de obicei un cristal de cuarț sau material ceramic policristalin – pentru a simți schimbările de accelerație. Efectul piezoelectric se referă la acumularea unei sarcini electrice într-un material din cauza solicitării mecanice. Accelerometrele piezoelectrice utilizează un anumit tip de material piezoelectric în imediata apropiere a unei mase solide. Atunci când forțele de accelerație sunt aplicate dispozitivului, materialul răspunde la compresia sau tensiunea oferită de masă. Schimbarea sarcinii electrice din interiorul materialului este proporțională cu forța de accelerație care acționează împotriva acestuia, transformând accelerometrul într-un dispozitiv de măsurare eficient.

Accelerometrele piezorezistive funcționează similar cu tipurile piezoelectrice, dar ieșirea lor este măsurată ca o schimbare a rezistenței, în loc de încărcare electrică. Aceste dispozitive sunt fabricate de obicei ca semiconductori, cu circuite rezistive separate pentru fiecare axă care trebuie măsurată. Fiecare axă include mai multe piezorezistoare, care își variază valoarea rezistivă când se aplică forța. Accelerometrele piezorezistive sunt utilizate în aplicații care necesită măsurarea accelerației de mare „g”, cu un pachet mic de senzori.

Accelerometrele capacitive, uneori cunoscute sub numele de accelerometre capacitive de tip masă-arc, sunt dispozitive de detectare bazate pe semiconductori. Acestea constau dintr-o masă de siliciu atașată la patru limitatoare, care acționează colectiv ca un sistem de arcuri. Când forța este aplicată la un capăt al masei, aceasta se mișcă și întinde arcul; deplasarea masei reprezintă deci accelerația măsurată. Deplasarea în sine este măsurată folosind plăci condensatoare: unele fixe și o placă mobilă care este atașată la masă. Condensatorul se modifică odată cu deplasarea masei, înregistrând o modificare a capacității în raport cu plăcile fixe; această modificare este se măsoară printr-o tensiune de ieșire ce indică accelerația. Deoarece capacitatea senzorului se schimbă în raport cu ambele plăci fixe, acești senzori pot transmite și direcția de accelerație.

Alte tipuri de accelerometre

În afară de cele 3 tipuri enumerate, accelerometrele pot utiliza oricare dintre tehnologiile enumerate mai jos pentru a măsura accelerația.

• Accelerometrele cu fibră optică – utilizează un senzor cu fibră optică pentru a măsura modificările în lungimea de undă ca urmare a forțelor aplicate.
• Accelerometrele cu efect Hall – convertesc mișcarea în semnale electrice prin detectarea modificărilor dintr-un câmp magnetic.
• Dispozitivele de transfer de căldură – se bazează pe deplasarea și amplasarea unei mase încălzite, prin detectarea temperaturii.
• Dispozitivele magnetorezistive – simt schimbările în rezistivitatea materialului prin utilizarea unui câmp magnetic.

Autor:
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro

Dl. Constantin Savu este inginer electronist cu o experiență de peste 30 ani în domeniul componentelor electronice și al selectării acestora pentru aplicații. Fiind bun cunoscător al componentelor și al tehnologiei de fabricație a modulelor electronice cu aplicații în domeniile industrial și comercial, coordonează direct producția la firma de profil Felix Electronic Services.

ECAS Electro   |   www.ecas.ro

ECAS Electro asigură aprovizionarea cu produse Sensors & Sensor Systems | TDK și alți producători.

Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro