Оглавление: Применение ⬇ Конструкция и принцип действия ⬇
Применение
Поверхностные микромеханические (ПММ) датчики ускорения используются в различных целях для определения ускорения автомобиля. К таким целям относится система безопасности пассажиров, определение параметров лобового и бокового ускорения для срабатывания натяжителей ремней безопасности и подушек безопасности. В сфере активной безопасности автомобиля используются поверхностные микромеханические датчики ускорения в системах ABS, ESP и ННС (Hill-Hold-Control, помощь при движении в гору). Другие возможности применения датчиков ускорения — это ходовая часть (Active Suspension) и системы охранной сигнализации автомобиля (Car-Alarm), когда вследствие изменения наклона автомобиля срабатывает сигнализация.
Конструкция и принцип действия
Поверхностные микромеханические сенсорные элементы рассчитаны для различных диапазонов измерений в зависимости от использования. Эти диапазоны измерений составляют от 1 g до 400 g (1 g = 9,81 м/с²). Ниже представлена конструкция датчика ускорения для определения лобового или бокового столкновения. Поверхностный микромеханический сенсорный элемент встроен вместе с электроникой для обработки данных (ASIC) в первый модуль. На рисунке 1 модуль изображен в корпусе S016. Этот модуль на маленькой проводниковой плате вместе с другими элементами схемы запрессован во вторичный модуль с одним пластиковым корпусом. Корпус закрывается и герметизируется с помощью привариваемой пластиковой крышки. Этот датчик после обнуления или проверки устанавливается в передней и боковой зонах автомобиля и передает сигнал ускорения через штекер и кабель на центральный блок управления системой безопасности.
Рисунок 1. ПММ датчики ускорения для срабатывания системы подушек безопасности (пример). 1. Первый модуль в корпусе S016; 2. Чип обработки данных (ASIC); 3. ПММ-элемент датчика; 4. Плата; 5. Второй модуль (прибор); 6. Штекер
[Материал опубликован на сайте www.SkodaBook.ru]
Функциональные слои сенсорного элемента для отображения схемы колебательной системы наносятся с помощью дополнительного процесса на поверхность кремниевой пластины (рис. 3, поверхностная микромеханика).
В сердечнике датчика сейсмическая масса с ее гребнеобразными электродами (рисунки 2 и 3, поз. 1) с помощью упругих элементов (2) с опорными точками (рис. 3, поз. 4). По обеим сторонам этих подвижных электродов на чипе находятся стационарные, также гребнеобразные, электроды (3, 6). За счет параллельного подключения отдельных емкостей, образуемых стационарными и подвижными ножками электродов, создается полезная емкость в диапазоне 300 фФ...1 пФ.
Рисунок 2. ПММ-датчики ускорения с емкостным съемом. 1. Сейсмическая масса с пружинным креплением с электродами; 2. Пружина (упругий элемент); 3. Фиксированные электроды с емкостью C₁; 4. Актокопроводящая дорожка; 5. Контактная площадка; 6. Фиксированные электроды с емкостью С₂; 7. Оксид кремния; а. Ускорение в направлении детектирования; CM. Измерительная емкость
Рисунок 3. Гребенчатая структура измерительных ячеек датчика. 1. Сейсмическая масса с пружинным креплением с электродами; 2. Пружины (упругий элемент); 3. Фиксированные электроды; 4. Опорные зоны
С помощью двух параллельно подключенных рядов ножек электродов создаются две полезные емкости (С₁—CM и С₂—CM), которые изменяются в обратную сторону при отклонении средней массы. Схема колебательной системы благодаря приложенному ускорению узнает отклонение, которое линейно изменяется относительно электрического сигнала, зависящего от ускорения, посредством силы стабилизации упругого элемента. За счет обработки данных этого дифференциального конденсатора можно получить линейный электрический сигнал, зависящий от ускорения.
Сигнал ускорения, полученный на первом этапе схемы обработки данных, проходит дальнейшую обработку в ASIC, т.е. усиливается, фильтруется и подготавливается для выходного интерфейса.
В качестве выходного порта обычно используются аналоговые напряжения, сигналы, модулируемые по диапазону импульсов, СП-протоколы или интерфейсы тока. Путем выравнивания балансировки программируемых ячеек памяти в конце технологического потока устраняются отклонения, возникшие в ходе изготовления сенсорного элемента, схемы обработки данных и воздействия оболочки на чувствительность и нулевую точку. Функция самостоятельного тестирования проверяет весь механический и электрический путь сигнала. При выполнении такой самостоятельной диагностики благодаря электростатической силе отклоняется структура датчика — т.е. симулируется ускорение в автомобиле — и ответ измерительного сигнала сопоставляется с заданным значением.
В блок датчика ESP интегрировано до трех датчиков ускорения (для ESP и ННС) и до двух датчиков скорости вращения (для ESP). За счет такого блочного исполнения модулей датчиков сокращается количество компонентов и сопутствующих проводов по сравнению с отдельно установленными датчиками. Кроме того, внутри автомобиля используется меньшее число креплений, что позволяет экономить пространство.