Akcelerometry, senzory pro měření statického nebo dynamického zrychlení, jsou vhodné nejen pro měření odstředivých a setrvačných sil, ale i pro určování pozice tělesa, jeho naklonění nebo vibrací. Mezi často používaný princip, který je i velmi jednoduchý pro integraci na chip spolu s elektronikou, patří piezorezistivita. V tomto článku se tedy podíváme na strukturu a princip piezoelektrických akcelerometrů, často využívané v automobilovém průmyslu, vojenství a strojírenství.

Běžné technologie akcelerometrů

Akcelerometry měří zrychlení, tj. přeměňují zrychlení (změnu pohybu) na měřitelný elektrický signál. V zásadě se využívá hlavně následujících tří principů:

 

• piezoelektrické akcelerometry (PE) - vyšlo v prvním díle - využívají piezoelektrický krystal (přírodní nebo keramiku), který generuje náboj úměrný působící síle, která při zrychlení působí na každý objekt
  


• piezorezistivní akcelerometry (PR) - dále v tomto článku - využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně odporu
  


• akcelerometry s proměnnou kapacitou (VC) - budou popsány v dalších článcích - využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně kapacity

Piezoelektrické akcelerometry (PR akcelerometry)

Obecné základní vlastnosti:

• využívají změny odporu piezokeramiky při mechanickém namáhání vzniklém působícím zrychlením
• měření odporu piezomateriálu probíhá prostřednictvím základního nebo polovičního Wheatstonova můstku.
• jednoduchá konstrukce výstupu umožňuje senzor napojit na jednoduchý vyhodnocovací obvod
• na prostor málo náročný princip, detekce umožňuje plnou integraci
• nemohou být použity pro měření frekvencí nižších než 0.1 Hz, tedy měření konstantního zrychlení

Co jsou to piezorezistivní akcelerometry ?

Piezorezistivní akcelerometr je senzor, který využívá piezorezistivní materiál místo piezoelektrického krystalu a jeho prostřednictvím převádí sílu vzniklou urychlovanou hmotou na změnu odporu. V integrovaných piezorezistivních akcelerometrech se využívá sítě vyleptaných měřících piezorezistivních snímačů (můstků) zapojených ve Wheatstonově můstku. Piezorezistivní akcelerometry mají tu výhodu proti piezoelektrickým, že mohou měřit i stálou (neměnnou) akceleraci, tj. frekvenci změn od 0 Hz. Tak by mohla znít stručná charakteristika piezorezistivních akcelerometrů.

Dnes nejpoužívanější princip, využívaný v integrovaných akcelerometrech, byl vynalezen již v roce 1979. Je založen na použití pohybu/ohybu jednoho konzolového nosníku z piezorezistivního křemíkového materiálu vlivem působícího zrychlení. Ohybem se mění odpor, který je měřen.

Požadavky na dnešní piezorezistivní křemíkové akcelerometry jsou následující:

malá velikost citlivost na zrychlení nižší než jedna setina gravitačního zrychlení velká šířka pásma stabilní výstup přes celý rozsah provozních teplot netečné pouzdro velká přesnost lineární výstup senzor by měl být citlivý pouze na požadovanou složku zrychlení vysoká spolehlivost nízká cena snadná společná integrace senzoru a elektroniky na jednom chipu

V současné době nepoužívanější princip piezorezistivního akcelerometru - měření ohybu nosníku

A právě ty současné integrované piezorezistivní akcelerometry mají schopnost spojit všechny tyto požadavky. Využívají se v nich takové koncepty, jako je například vícenosníková a samotestující struktura ve spojení se společnou integrací s řídícími a vyhodnocovacími obvody. Senzory se zanedbatelnou křížovou citlivostí, vysokou citlivostí a širokým měřícím rozsahem se stále ještě vyvíjejí. Firma Endevco patří právě mezi hlavní výrobce piezorezistivních akcelerometrů. Například typ 7270A má měřící rozsah od 0 až do 200 000 g při rezonanční frekvenci struktury 1.2 MHz. Ta právě limituje horní měřící kmitočet. Hlavní úlohu piezorezistivní akcelerometry zastávají v oblasti MEMS systémů a v automobilovém průmyslu.

Princip funkce

Zavěšená hmota integrovaného piezorezistivního akcelerometru není nic víc než zátěž na pružině připevněné k rámu. Když se rám pohne, hmota bude mít tendenci zůstat v klidu až do doby, kdy napjatá pružina předá dostatek síly hmotě k pohybu. Síla působící na pružinu je úměrná deformaci, která je dále přímo úměrná měřenému zrychlení.

V případě křemíkových akcelerometrů je tento systém "pružina-hmota" představován křemíkovým konzolovým nosníkem s křemíkovou setrvačnou hmotou na volném konci (end mass) - viz obrázek 3.. Mechanické napětí, způsobené ohybem setrvačné hmoty při zrychlení, je koncentrováno na povrch nosníku, kde je měřeno piezorezistory. Ty jsou položeny blízko pevnému konci nosníku, kde je mech. napětí maximální - viz obrázek 4.

Piezorezistory převádějí mech. napětí na změny odporu. Změna odporu může být snadno měřena změnou úbytku el. napětí. Tak je měřené zrychlení ve výsledku převedeno na elektrický napěťový signál. Jako převodník změny odporu na napětí se využívá známého Wheatstonova můstku - viz obrázek 5.

Vlastnosti

Pro piezorezistivní akcelerometry je spodní hranice měřitelnosti blízká nule. Horní hranice pásma je určena první rezonanční frekvencí celé mechanické struktury, tlumením nosníku a nelinearitou - viz obrázek 6. Při blížící se frekvenci měřených vibrací rezonanční frekvenci struktury již přestává být kmitání nosníku ve fázi s kmitáním vnějšími vibracemi akcelerometru (viz graf "B") a dochází k stále větší chybě měření. Při překročení rezonanční frekvence již akcelerometr prakticky neměří. V praxi není možné zároveň maximalizovat první rezonanční frekvenci a citlivost. Musí být zvolen kompromis. Obvykle se senzory rozdělí na dvě skupiny, kdy u jedné se maximalizuje právě šířka pásma a u druhé pak citlivost. Délka nosníku l1 (viz obrázek 3.) by měla být volena tak malá, jak jen to je možné. To samé platí i šířce b1, která však musí zůstávat vždy větší než je jeho tloušťka, aby se zamezilo vysoké citlivosti na křížové zrychlení (vliv zrychlení v jiném směru než měřeném). Koncová hmota by měla být hodně těžká, avšak rozměrově co nejmenší - tedy co největší hustota materiálu. Tloušťka nosníku by měla být definována požadovanou citlivostí a šířkou pásma senzoru.

Obr. 6. Průběh amplitudové (A) a fázové (B) charakteristiky celé mechanické rezonanční struktury nosníku se zavěšenou hmotou. Při frekvenci 740 Hz nastává rezonance struktury a kmity nosníku již nejsou ve fázi s kmity (vibracemi) celého akcelerometru.

Od akcelerometru se očekává, že bude citlivý pouze na zrychlení v požadovaném směru. Například akcelerometr měřící v ose X, měří parazitně i v rovině Y a Z. Tato nevyžadovaná citlivost se označuje jako křížová citlivost (cross-sensitivity). Je vyjádřena poměrem citlivosti v nepožadovaných směrech vůči směru požadovaném. Křížová citlivost tak způsobuje chybu měření. Jestliže je velikost nosníku větší než jeho tloušťka, pak mech. napětí vzniklé ohybem způsobené příčným zrychlením bude značně menší než napětí vyvolané zrychlením v požadované ose a hodnota křížové citlivosti bude malá.

Pro další vylepšení vlastností vynalezli Jong Soo Ko a Gyu Hyun Kim symetrickou strukturu s pohybující se koncovou hmotou umístěnou ve středu celkové hmoty - viz obrázek 7. Tento princip eliminuje ohýbací moment způsobený příčným zrychlením v ose Z a dramaticky redukuje křížovou citlivost. Jestliže je však akcelerometr vystaven vysoké hodnotě zrychlení a může se nosník přílišným prohnutím i zlomit. Z tohoto důvodu jsou akcelerometry pro průmyslové aplikace vybaveny ochranou proti přetížení, realizovanou dorazy (over-force stops).

Akcelerometry používané v průmyslu jsou často uzpůsobeny na velkou citlivost na vibrace a nárazy. I když obvykle šířka pásma, příčná citlivost a ochrana proti přetížení jsou kritické hodnoty pro nasazení v aplikacích, pro některé aplikace, jako například snímání zrychlení při nárazu v airbegech, je důležitá i schopnost samotestování. V málo opakujících se aplikacích je totiž nutné jednoduše ověřovat funkci akcelerometru. Typickým příkladem může být řízení automobilových airbagů, kde akcelerometry měří zrychlení vozidla. Jestliže jednou hodnota zrychlení dosáhne přednastavené hodnoty, airbagy se musí nafouknout a ochránit tak pasažéry. Systém airbagů nemusí být použit po mnoho let, ale jestliže nastane potřebná situace, je nutné aby bezpodmínečně excelentně fungovaly. Pro takovou aplikaci je tedy nutně požadována funkce průběžného testování akcelerometrů a získání spolehlivé informace i jejich správné nebo špatné funkci. Automatické testování v případě piezorezistivního může být realizováno celkem jednoduše, protože jejich malá hmotnost snímací hmoty může být snadno vychýlena malou elektrickou silou (elektrostatickou přitažlivostí hmoty k dorazům). Elektrické napětí přiložené na elektrody mezi hmotou a dorazy způsobují pohyb vychýlení hmoty nahoru. Tím se simuluje síla působící na strukturu vlivem zrychlení. Výstupní signál pak může být vyhodnocen a podle něho lze provést i teplotní kompenzaci senzoru a kalibraci citlivosti. Takto vytvořená elektrostatická síla může způsobit vychýlení okolo 15% z rozsahu.

Závěr

Piezorezistivní akcelerometry stále patří svými vlastnostmi a schopnostmi mezi špičku v této oblasti senzorů. Výhodou je spodní hranice měřitelnosti blízká nule a velká citlivost. Nevýhodou pak je významná závislost výstupu na teplotě, kterou je však možné částečně kompenzovat výše uvedeným samočinným testováním. Typickým představitelem piezorezistivních akcelerometrů je senzor Endevco model 7264A, který se úspěšně využívá v oblasti automobilové bezpečnosti, ve vojenské a vesmírné technice a dalších průmyslových aplikacích.

V dalším díle se pak podíváme na nejnovější a dnes již hodně využívaný princip proměnné kapacity. Proto sledujte stránky serveru automatizace.hw.cz.

DOWNLOAD & Odkazy

• Cheng-Hsien Liu: "Mechanical Transducers-1- PiezoResistive Transducers", prezentace Micro-Electro-Mechanical Transducers, Autumn 2004
  
• Odkazy na zajímavé stránky o piezorezistivních akcelerometrech:
  
  • www.bksv.com - výrobce piezorezistivních akcelerometrů
  • www.endevco.com - výrobce piezorezistivních akcelerometrů
  • http://archives.sensorsmag.com/articles/0299/0299_38/index.htm - zajímavý článek o piezorezistivních akcelerometrech Fujikura