V nabídce známé společnosti Texas Instruments jsou mimo běžných věcí, jako jsou A/D převodníky, MCU, DSP, senzory teploty apod. i velmi zajímavé nezvyklé součástky vyráběné MEMS technologií, tedy jako mikromechanickoelektrické integrované systémy. Jednou zajímavou skupinou jsou tzv. analogová zrcátka. V tomto směru a v oblasti MEMS zpracování světla již Texas Instruments vyvíjí aktivity více než 10 let. Výsledkem je elektronicky polohovatelné MEMS zrcátko o velikosti několika mm v podobě integrované součástky s označením TALP1000B, která je určena pro elektronické směrování laserového světelného paprsku v různých aplikacích.

Popis MEMS zrcátka TALP1000B

TALP1000B je ve dvou osách elektronicky polohovatelné minizrcátko oválné plochy rozměrů 3,2 mm x 3,6 mm (cca 9 mm2). 2D natočení v rozsahu -5 až +5° se řídí přivedením budicího napěťového signálu s amplitudou -3 V až +3 V a může být buď skokové, prováděné prostým přiložením určitých stejnosměrných hodnot napětí na každý ze čtyř budicích vstupů, nebo plynule proměnné prostřednictvím přivedení proměnného signálu (např. sinusový, trojúhelníkový nebo pilový). Použít zde lze nízkofrekvenční „skenování“ s využitím vlastní rezonanční frekvence zrcátka 130 Hz. Reakce na skokovou změnu ovládacího napětí v celém rozsahu natočení je pak v řádu milisekund.

V praxi běžně přítomné rušení a případné nepřesnosti v buzení zrcátka můžou ve výsledku znamenat, že požadované natočení nebude přesné, ale bude se více či méně lišit od požadavku (např. opakované přivedení stejného budícího napětí může v praxi znamenat odlišný úhel, podle aktuální úrovně působícího elmag. rušení nebo okolní teploty). Pro aplikace vyžadující opakovaně přesné pozice je vhodné realizovat dolaďovací zpětnovazební smyčku. Pro tento účel zrcátko obsahuje integrovaný zpětnovazební měřící systém, který může měřit reálné aktuální natočení odrazné plochy a porovnáním reálného natočení s požadovaným pak upravit budicí napětí na vhodnou úroveň. Případně pro plynulý přechod zrcátka z jedné polohy do další (plynulý nájezd) lze s uvedenou zpětnou vazbou nechat plynule regulovat budicí úroveň napětí (například použít průběh „rampa“, podobně jako například u rozběhu a zastavování elektropohonů napájení z frekvenčního měniče). Vhodná pro tento účel je PID regulace.

Struktura MEMS zrcátka TALP1000B

Samotné zrcátko je dle informací výrobce vyrobeno z jednoho krystalu křemíku a vyznačuje se výbornými odrazovými schopnostmi pro paprsky světla v rozsahu vlnových délek 0,7 až 10 mikrometrů. Jeho plocha je jen lehce zakřivena s poloměrem 5 metrů, což při ploše několika mm je opravdu velmi malá hodnota a odraznost je lepší než 95%.

Pohybový systém zrcátka využívá elektromagnetický vychylovací systém, který se vyznačuje rychlou reakcí do 5 milisekund a hlavně nízkým budicím napětím a proudem (-3 až 3 V a 25 až 60 mA). Vychylovací magnetické pole je generováno prostřednictvím čtyř cívek (N/S a E/W Coils) umístěných pod natáčenou plochou (na pozicích sever, jih, východ, západ) a napájené ze dvou dvojic budicích vstupů (1-2 a 11-12). Přivede-li se kladné napětí 0-3 V na vstupy 1-2, zrcátko se nakloní na doleva (na „západ“), pokud záporné napětí -3 až 0 V, nakloní se doprava (na „východ“). Podobně pokud se připojí kladné napětí na vstupy 12-11, dojde k naklonění nahoru (na „sever“) , pokud záporné, tak dolů (na „jih“). Velikost napětí pak určuje úhel náklonu.

Mimo vychylovacích cívek jsou v rozích zrcátka ještě umístěny čtyři optické snímače (křemíkové detektory světla na pozicích severovýchod, jihovýchod, jihozápad a severozápad). Ty v kombinaci s vestavěnou LED diodou lze použít pro sledování / kontrolu i automatické řízení reálného naklonění. Jak již bylo nastíněno výše, se změnou okolní teploty i vlivem elmag. rušení nemusí stejné budicí napětí vždy znamenat přesně stejné natočení zrcadla. Prostřednictvím zmíněných optických senzorů snímací odraz světla z integrované LED diody, které poskytuje napěťový signál 0 až 4 V na vývodech 5 až 8, lze nejen sledovat reálné aktuální naklonění, ale i v porovnání se žádanou hodnotou automaticky polohu doladit. Přesněji řečeno doladit budicí napětí tak, aby výsledné skutečné naklonění odpovídalo požadovanému. Rozlišení snímačů lepší než 0,0001° umožňuje realizovat i velmi přesnou regulaci. Současně je na stejném čipu integrován také křemíkový senzor teploty s napěťovým výstupem vyvedeným na svorky součástky 9 a 4. To opět pro možnost realizace zpětné vazby eliminace nepřesností náklonů, tentokrát vzniklých vlivem změny okolní teploty.

Základní vlastnosti:

• Typ zrcátka: MEMS, bodové, dvouosé
• Rozsah mechanického naklonění: +/- 5°
• Rezonanční frekvence zrcadla: typ.130 Hz
• Maximální budící napětí: 3 V
• Max. příkon: 700 mW
• Rozsah odrážených vlnových délek: 700 nm – 10 µm
• Velikost odrazné plochy: 3,2 mm x 3,6 mm
• Rovnost zrcadla (poloměr zakřivení): >5 m
• Provozní teplota: -10 až 70 °C
• Integrovaná detekce pozice (LED + 4 optické senzory)
• Integrovaný teplotní senzor

Závěrem…

Jak je z popisu patrné uvedené MEMS zrcátko zatím postrádá vlastní integrovanou „inteligenci“, kterou je tedy nutné realizovat externě prostřednictvím nějakého řídicího systému, například pomocí mikrokontroléru doplněného dostatečně přesným A/D a D/A převodníkem (nejlépe alespoň 13 bitovým, aby zpětná vazba pracovala dostatečně přesně a měla smysl).

Jinak miniaturní zrcátko TALP1000B ukazuje aktuální možnosti MEMS technologie a právě tyto a další podobné systémy stojí za stále lepšími, přesnějšími a výkonnějšími elektro-optickými zařízeními ať již v oblasti měření, projekce obrazu či přenosu dat.

DOWNLOAD & Odkazy

• Odkaz na stránky výrobce - společnosti Texas Instruments - www.ti.com
• Odkaz na stránky produktu TALP1000B - http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/talp1000b.html
• Odkaz na informační dokument k obvodu TALP1000B - http://focus.ti.com/lit/ml/slbb089/slbb089.pdf
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz