Společnost Freescale Semiconductor je již delší dobu předním světovým výrobcem integrovaných polovodičových MEMS akcelerometrů (senzorů statického i dynamického zrychlení) a má v nabídce velmi široký výběr. Dnes se z této široké nabídky podíváme spíše na takovou perličku v podobě akcelerometrů speciálně navržených pro systémy airbagů osobních automobilů. Tedy jde o senzory, které dávají povel, kdy se mají aktivovat airbagy a tedy zachraňují životy. Hlavním představitelem této specifické skupiny jsou 2D senzory řady MAA65xxKW.

Tyto senzory zrychlení využívají technologii Xtrinsic (kombinaci mikromechaniky a analogového / digitálního zpracování signálu na jednom čipu) a byly speciálně vyvinuty pro detekci předního a bočního nárazu. Mohou být integrovány do systému řízení airbagů a jsou založeny na systému HAREMS (High-Aspect-Ratio Microelectromechanical Systems) vyznačující se vysokou integrací odolných mikromechanických elektrosystémů s integrovaným DSP ASIC jádrem. Díky tomu akcelerometr poskytuje velmi rychlou reakci na velké změny zrychlení vyhodnocené jako havárii a speciální dva spínané výstupy okamžitě informují řídicí systém o nutnosti okamžité aktivace vzduchových vaků. Z tohoto důvodu se tyto senzory obvykle instalují přímo do ECU (hlavní řídicí jednotky automobilu) co nejblíže řídicímu procesoru. Spínané výstupy jsou připojeny na vstupy řídicího procesoru jednotky, aby bylo minimalizováno prodlení či rušení vzájemné komunikace. V případě aktivace nutnosti vypuštění airbagů musí totiž řídicí elektronika reagovat v řádu desítek / stovek mikrosekund, jinak už je pozdě.

Blokové schéma akcelerometrů MMA65xx a ukázka jejich funkce (reakce výstupů) na natočení (vliv statického zrychlení).

Pro běžné nastavení senzorů, kontrolu a testování jejich funkce a běžné monitorování hodnoty zrychlení, či pro řízení jiných komponent (např. pomocný systém řízení), pak slouží sériová datová komunikace SPI. Senzory MMA65xxKW se vyrábějí s rozsahy +/- 80, 105 a 120 g, což jsou ideální hodnoty právě pro aplikace detekce dynamického zrychlení vlivem nárazu. Uvnitř pak analogový signál z pohyblivé nanometrové kapacitní pružně tlumené MEMS struktury je po zesílení okamžitě digitalizován velmi rychlým 12bitovým Sigma-Delta A/D převodníkem (doba převodu 1 mikrosekunda) a následně rychle vyhodnocován integrovaným signálovým procesorem DSP (vzorkovací frekvence 8 či 16 mikrosekund). Ten provádí několikanásobnou filtraci, kompenzaci a lineární interpolaci a porovnání s nastavenými rozhodovacími úrovněmi v registrech. Zjištěný výsledek porovnání je pak distribuován na výstupy ARM_X a ARM_Y rychlé aktivace. Zároveň se však aktuální naměřené hodnoty ukládají v registrech a průběžně vysílají po SPI rozhraní do nadřazeného systému. Z důvodu požadavku na rychlou odezvu senzoru pak u 2D verze je každá složka (X a Y) převáděna i zpracovávána plně odděleně a plně paralelně – viz obrázek výše.

Blokové schéma v senzoru použitého 12bitového A/D převodníku Sigma-Delta digitalizující analogový signál z MEMS snímací kapacitní jednotky (g-CELL).

Řetězec zpracování digitálního signálu z A/D převodníku, který provádí integrované DSP a tabulka potřebných časů na jednotlivé úkony zpracování při 8 MHz taktování (podrobnosti viz k článku přiložený datasheet).

Senzor je z pohledu uživatelského přístupný pomocí sériové komunikace SPI s jejíž pomocí je možné měnit nastavení senzoru prostřednictvím registrů v EEPROM paměti s možností čtení a zápisu a s možností zablokování přístupu. Dále je v součástce přítomen i OTP blok paměti programovaný při výrobě. Pomocí SPI komunikace a registrů je možné měnit vzorkovací frekvenci senzoru, nastavit automatické periodické měření či měření „na externí povel“, nastavení úrovní digitální filtrace, aktivovat a nastavit režim automatické regulace offsetu, nastavení komunikace, nastavení spínacích hranic, nastavení a spuštění testu umožňující ověřit plnou funkčnost akcelerometru i bez vnějšího vybuzení. Z důvodu však co největší nezávislosti obou měřicích os u 2D senzorů jsou odděleny i registry pro obě osy. SPI komunikace jinak využívá protokol komunikace Master/Slave, tedy žádost-odpověď, kdy senzor se chová jako Slave jednotka.

Ukázka probíhající SPI komunikace mezi senzorem a nadřazeným systémem (princip žádost / odpověď). Registry pro jednotlivé snímací osy mají oddělené nastavovací registry (vlevo).

Základní parametry senzorů řady MMA65xx:

• Kompletně integrované MEMS senzory zrychlení navržené pro airbagy
• 2D provedení (X-Y) pro střední rozsah g
• Ochrana senzoru proti překročení rozsahu 
• Rozsah: ±80 g, ±105 g nebo ±120 g
• Plně nezávislé snímání pro každou osu X-Y
• 12bitové rozlišení A/D převodníku
• Nastavitelné digitální filtrace (rozsah 50 až 1000 Hz)
• Automatické nulování offsetu s periodou 6 s
• Komunikační rozhraní SPI pro nastavení všech parametrů
• Oddělené spínané výstupy pro osu X i Y
• Nezávislé nastavení spínacích úrovní každé osy
• Napájení: 3,3 V nebo 5 V DC
• Pouzdro: 16-Pin QFN-6 by 6

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Dříve vydaný článek na stránkách HW serveru - "Jak pracují nové 3D MEMS akcelerometry Freescale ?"
• Dříve vydaný článek na stránkách automatizace.HW.cz - "TEST - 3D akcelerometr MMA7260"
• Dříve vydaný článek na stránkách HW serveru - "Absolutní novinka - miniaturní 3D akcelerometr s SPI rozhraním "