Mezi letošní novinky v oblasti senzoriky patří nový vibrační senzor / akcelerometr ADXL001 společnosti Analog Devices využívající již 5. generaci technologie iMEMS. Proti předchozí generaci akcelerometrů má větší dynamický rozsah (+/-70g až +/-500g) a pracuje v až 4x širším frekvenčním pásmu než je běžné (0 až 22 kHz). Tato součástka je tak velmi vhodná pro přesné měření i slabých vibrací a detekci pádu nejen ve spotřební elektronice, ale i v průmyslových aplikacích, zdravotnictví a vojenských aplikacích, kde takové vlastnosti obvodu, jako je široké snímací pásmo, malé rozměry pouzdra, nízkopříkonové napájení a odolné provodení, hrají klíčovou roli.

Na senzoru je zajímavá a inovativní jeho struktura využívající diferenciální snímač zrychlení, který je tvořený dvěma MEMS měřícími buňkami, místo jedné. Ty jsou vzájemně propojené mechanicky, ale plně oddělené elektricky. Ve výsledku se tak zvyšuje citlivost senzoru na zrychlení (vibrace, nárazy), ale zároveň snižuje vliv nežádaného okolního elmag. (EMI) a radiofrekvenčního rušení (RFI) a eliminuje působení elektrostatických sil vzniklé od elektrických obvodů umístěných na chipu. Po nezávislém předzpracování obou kanálů pak dochází k jejich "spojení" v klasický jednoduchý radiometrický napěťový výstup vzniklý průchodem širokopásmovým převodníkem diferenciálního signálu na jednoduchý (differential to single ended converter). Tento systém tak umožňuje plně využít potenciál diferenciální mechanické struktury senzoru.

Integrovaný obvod může pracovat při napájecím napětí 3.3 i 5 VDC. Součástka má také možnost testování funkce senzoru prostřednictvím ST vývodu (Self-Test pin), kterým se inicializuje záměrné vychýlení pružného rámu pomocí záměrně vygenerované elektrostatické síly, čím se ověřuje nejen funkce elektrických prvků, ale i kompletní senzor včetně všech mechanických částí. Akcelerometr je dostupný v průmyslovém standardním 8vývodovém LCC pouzdru, které umožňuje součástce pracovat ve velmi širokým teplotním rozsahu -55 až +125 °C.

Provedení senzoru stylem "vše na čipu" velmi usnadňuje jeho praktické zapojení a připojení třeba na vstup A/D převodníku MCU. Prakticky je nutné pouze připojit dobře stabilizované a u senzoru kondenzátorem blokované napájecí napětí Us na vstupy 8 a 7, uzemnit svorku 3 a analogový napěťový signálový výstup senzoru na vývodu 6 zatížit kondenzátorem 1 nF pro snížení vlivu elmag. rušení. Pak již lze výstup připojit například do již zmíněného analogového vstupu MCU. Zajímavé a praktické také je, že senzor nevyžaduje žádnou kalibraci a je výrobcem doporučován ve spojení s přesnými A/D převodníky Analog Devices. Zároveň je optimalizován pro práci s firemním SigmaDSP™ procesorem a intuitivním uživatelským grafickým rozhraním SigmaStudio™, který vývojářům poskytuje snadné programovací prostředí. Jakmile výstup z akcelerometru projde skrze Sigma DSP, může systémový vývojář použít SigmaStudio software k provedení různých technik číslicového zpracování signálu, jako je filtrace nebo zesílení.

Jak již bylo poznamenáno v úvodu, akcelerometr ADXL001 je založen na diferenciální mechanické i elektrické struktuře, čímž se výrobci povedlo maximalizovat odolnost proti vlivu EMI i RFI. Použití poslední generace výrobní technologie SOIMEMS (Silicon On Insulator MEMS), kde jsou všechny prvky vytvořeny z SOI vrstvy, poskytuje výhodu ve vzájemném mechanickém spojení, ale plném elektrickém oddělení dvou snímacích buněk pomocí izolačních příkopů v substrátu. To zároveň vylepšuje výkon senzoru a zmenšuje jeho rozměry, ale přitom podobně jako jedna snímací setrvačná hmota generuje plně diferenciální signál. Obvody zpracování signálu senzoru také využívají elektrickou zpětnou vazbu s nulováním síly (zero-force feedback), která významně zlepšuje jak přesnost, tak stabilitu senzoru a zároveň vyřazuje ze hry elektrostatické síly vytvářené a přenášené elektrickými obvody na čipu senzoru.

Vedlejší obrázek ukazuje zjednodušené schéma konstrukce jedné ze dvou stejných snímacích buněk na čipu. Obě obsahují několik diferenciálních kapacitních jednotek (Unit Cells), což jsou prakticky proměnné kondenzátory s dvěma pevnými elektrodami, mezi nimiž se pohybuje třetí volná elektroda (moving plate). Každá kapacitní jednotka je tak tvořena pevnými destičkami (fixed plates) vytvořenými na substrátu a pohyblivými destičkami pevně připevněnými k rámu senzoru (movable frame), který podléhá působení síly zrychlení. Rám je pak pružně upevněný nad substrátem pomocí monokrystalických křemíkových pružin (anchors), které zároveň vytvářejí mechanický odpor (protisílu) k silám vznikajícím při zrychlení. Pohyb pohyblivých destiček vůči pevným destičkám způsobuje změnu kapacity. Ta je vyhodnocena na čipu umístěnými elektronickými obvody, které provádí převod změny kapacity na změnu napětí, demodulaci, zesílení, linearizaci převodní charakteristiky a již zmíněný převod z diferenciálního signálu na jednoduchý.

Jak je také patrné z obrázku, kapacitní jednotky jsou rozděleny na tzv. snímací (Unit Sensing Cell) a tzv. silové (Unit Forcing cell). Zatímco snímací provádějí požadovaný převod zrychlení na změnu kapacity, silové jednotky realizují tlumící zpětnou vazbu a umožňují elektronické testování celého senzoru prostřednictvím vstupu ST. Pokud se totiž na něj připojí napájecí napětí, přivede se napětí také na pevné destičky silové jednotky. To vytvoří elektrostatické pole a tím i elektrostatickou sílu, které "uměle" vychýlí pohyblivou destičku a tím i celý rám. Tím se pro snímací kapacitní jednotku simuluje působení zrychlení.

• Měřící rozsahy zrychlení: ±70g, ±250g nebo ±500g
• Limitující rezonanční frekvence struktury: 22kHz
• Frekvenční rozsah: 0 až 22 kHz
• Citlivost: 16 mV/g (při Us = 3.3 V), 24.2 mV/g (při Us = 5.0 V)
• Linearita: 0.2% z celého rozsahu
• Křížová citlivost (mezi osami): 2 %
• Nízký šum: 4 mg/ Hz
• Snímací osa: v rovině čipu (osa X)
• Velká odolnost proti EMI/RFI
• Elektromechanický test funkce senzory (Self-test)
• Radiometrický signálový výstup - velikost signálového napětí je úměrné napájecímu napětí
• Offset signálového výstupu: 1/2 Us
• Napájecí napětí Us: 3.135 až 6 VDC
• Výstupní signál. napětí: 0.2 V až (Us - 0.2) V
• Spotřeba: typ. 2.5 mA
• Pouzdro: hermeticky uzavřené keramické LCC pouzdro, rozměry 5 x 5 mm