Сенсоры и МЭМС для систем с 10 степенями свободы: общий взгляд на актуальную проблему

Проникновение датчиков во все сферы жизни во многом произошло благодаря технологии МЭМС, которая, наконец, стала массовой и недорогой. Применение решений с одновременной обработкой показаний датчиков различного типа позволяет улучшать устройства потребительской электроники.

До недавнего момента в центре дискуссий, посвященных сложным электронным приборам, например, смартфонам и ноутбукам, были в основном характеристики прикладных процессоров последнего поколения, качество дисплея, количество мегапикселов в камере или особенности новейшей версии ОС. Теперь особое внимание уделяется датчикам, особенно МЭМС (микроэлектромеханические системы), поскольку они стали неотъемлемой частью современного смартфона или ноутбука. В качестве иллюстрации в таблице 1 приведено количество датчиков, установленных в новейших портативных электронных устройствах.

Табл. 1. Количество датчиков в портативных устройствах

Тип датчика	iPhone 4S	Galaxy S3	HTC One X	Droid 4	Lava Xolo 900
Ускоритель	+	+	+	+	+
Гироскоп	+	+	+	+	+
Цифровой компас	+	+	+	+	+
Датчик близости	+	+	+	+	+
Датчик внешнего освещения	+	+		+	+
Барометр		+

В современных смартфонах количество датчиков приблизилось к 10 и продолжает расти. Датчики расширяют функционал таких устройств, как смартфоны, ноутбуки, ультрабуки и настольные ПК. Они применяются повсеместно, в т.ч. не в портативной электронике, например, при автоматизации производства, в автомобильной промышленности, дорожном движении, сетях интеллектуальных датчиков, системах «умный дом», приборах медицинского мониторинга, в нефтедобыче, производстве бензина, мониторинге климата. Проникновение датчиков во все сферы жизни во многом произошло благодаря технологии МЭМС, которая, наконец, стала массовой и недорогой. МЭМС-устройства стоят менее доллара, что способствует появлению новых датчиков и новых применений. По оценке группы компаний Petrov, рынок датчиков, предназначенных для смартфонов и ноутбуков, к 2015 г. превысит 15 млрд устройств.

Сочетание датчиков

Одним из актуальнейших направлений развития датчиков является измерение по нескольким осям. Если посмотреть внимательнее на тип датчиков, использующихся в смартфонах, легко увидеть, что стандартный набор датчиков включает 3D-акселерометр, 3D-гироскоп и 3D-магнитометр. Измерение по нескольким осям позволяет значительно продвинуть интерфейс пользователя. Эти три типа датчиков объединяет интересная черта: каждый их них производит базовые измерения (акселерометр – линейное ускорение по трем осям, гироскоп – угловые ускорения по углу рысканья, тангажа и крена, магнитомерт – напряженность магнитного поля по трем осям).

От точности датчика зависит точность приложения. Так, акселерометры чувствительны к вибрации и могут вырабатывать сигнал тогда, когда устройство покоится. На точность гироскопа влияет дрейф смещения нуля, на магнитометр – магнитная интерференция, которая может вызвать ложные сигналы.

Для компенсации погрешностей отдельных датчиков применяется технология, которая получила название «сочетание датчиков». Она сводится к тому, что данные с разных датчиков обрабатываются одновременно, в итоге комбинированный результат превышает сумму компонентов. Т.е. если производить выборку сигнала с акселерометра, гироскопа и магнитометра в один момент времени, а потом обрабатывать данные надлежащим образом, недостатки каждого датчика нивелируются и получается синтезированный «умный» выходной сигнал.

Как правило, при обработке применяются хитрые алгоритмы и специальные методы фильтрации, такие как Quaternion, основанный на применении фильтров Кальмана. Следует заметить, что есть компании, специализирующиеся на создании алгоритмов обработки для сочетания датчиков (Sensor Platforms, Hillcrest Labs, Movea). Такие компании, как STMicroelectronics, Freescale, InvenSense и Kionix предлагают готовые решения.

Компания Microsoft рассматривает технологию сочетания датчиков настолько важной, что поддержка сенсорных устройств является обязательной в Windows 8. Был разработан класс драйверов и определены стандарты для датчиков. Так, в 2011 г. появился стандарт для устройств интерфейса пользователя (HID — Human Interface Device). Во-вторых, была проведена оптимизация системы датчиков, и обработка данных стала возможной на аппаратном уровне. Механизм фильтрации позволяет отсылать данные с датчика в программный стек на скорости, не превышающей требуемую. Все это предусмотрено в программном модуле Windows Runtime. В отличие от Microsoft, Google предоставляет производителям думать о датчиках, не давая готовой базы.

Типичное решение, включающее в себя 3D-акселерометр, 3D-гироскоп и 3D-магнитометр, получило название системы с 9 степенями свободы (9-DoF), или 9-SFA (9 осей сочетания датчиков). Для того чтобы понять, как работает такая система, рассмотрим входные и выходные сигналы.

Рис. 1. Структура системы с 9 степенями свободы

Из рисунка 1 видно, что системы с 9 степенями свободы работают с двумя наборами данных: один проходит напрямую от датчика к приложению в несжатом виде (RSD), второй предварительно обрабатывается (PSD) и предоставляется в более подходящем виде. Примером данных, которые поступают напрямую, является шагомер. Компас – это типичный пример сочетания датчиков. В нем имеются дополнительные функции, такие как навигация, 3D-игры.

Сочетание датчиков не ограничивается только решениями с 9 степенями свободы. Так, добавление дополнительного сенсорного элемента увеличивает количество степеней свободы на одну (10-DoF, или 10-ASF). В качестве примера можно привести датчик местоположения в помещении. Данная функция реализуется с помощью барометра, измеряющего высоту. Атмосферное давление меняется с высотой примерно со скоростью 10 Па/м. Эта система содержит четыре датчика: акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр.

Можно добавить больше датчиков, тогда система станет m-DoF, где m>10. Компания Freescale представила решение с 12 степенями свободы, содержащее акселерометр, гироскоп, магнитометр, барометр, термометр и датчик внешней освещенности. Безусловно, решения с m степенями свободы являются системами будущего.

Очевидно, что технология сочетания датчиков требует значительных ресурсов микроконтроллера. На сегодняшний день пока не найдено наиболее эффективного способа выполнять обработку показаний датчиков. Многие сходятся во мнении, что следует выделить дополнительный процессор. Другие полагают, что данную задачу можно выполнять на прикладном процессоре. Некоторые компании предлагают универсальные решения, совместимые с обоими типами процессоров (встроенный и прикладной). Так, компания Sensor Platforms анонсировала Free Motion – библиотеку программных алгоритмов, поддерживающих 32-разрядные встраиваемые процессоры и 64-разрядные прикладные процессоры архитектуры ARM или x86. Данное решение поддерживает различные типы акселерометров, гироскопов, магнитометров и барометров независимо от производителя. Отсутствие привязки к набору инструкций процессора дает производителям портативных устройств свободу выбора поставщика и свободу при оптимизации характеристик и стоимости.

Технологии МЭМС для систем 10-DoF

Существует общее ожидание, что системы с 10 степенями свободы станут высшей точкой развития технологии сочетания датчиков в ближайшие несколько лет. Рассмотрим роль МЭМС в решениях с 10 степенями свободы. Три из четырех датчиков, которые используются в них, производятся по технологии МЭМС. Это акселерометр, гироскоп и датчик давления. Датчики магнитного поля теоретически могут изготавливаться по этой технологии, однако этого, как правило, не делают.

За последние 10 лет технология МЭМС сильно развилась. Датчики стали надежными и доступными по цене, что позволяет использовать их в портативных устройствах и другой потребительской электронике. Два свойства выделяют технологию МЭМС.

Во-первых, в МЭМС-датчиках имеется подвижный элемент, движение которого преобразуется в выходной сигнал. Это может быть диафрагма, консоль, балка, чувствительная масса или комбинация этих основных микромеханических структур. Второй ключевой особенностью является герметичный корпус. Подвижные структуры должны работать надежно, следовательно, их необходимо защитить. Обычно они помещаются в герметичный корпус с тем, чтобы можно было контролировать внешние условия.

Существует несколько вариантов процесса корпусирования и изготовления подвижных структур в МЭМС. Выбор технологии зависит не только от назначения конечного устройства, но и тех. процесса, который использует поставщик.

Инерциальные датчики и датчики движения

Акселерометры и гироскопы являются главными элементами инерциальных датчиков и датчиков движения. Как правило, производители используют идентичные технологии для производства МЭМС-акселерометров и гироскопов. Единственная разница заключается в геометрии подвижной структуры. В случае гироскопа она оптимизирована для измерения линейного передвижения, в случае акселерометра – для измерения вращательного. Однако сам процесс изготовления, в т.ч. корпусирование и создание КМОП, одинаковы. На сегодняшний день большинство 3D-акселерометров и 3D-гироскопов изготавливается в виде отдельных кристаллов, хотя есть и интегрированные решения, имеющие 6 степеней свободы.

Динамические структуры МЭМС, использующиеся в акселерометрах и гироскопах, выполнены в широкоформатной форме. Они изготовлены из поликремния или кремния с применением глубокого реактивного ионного травления. Широкоформатный подход превалирует сегодня, поскольку позволяет получать упругие структуры и емкостные сенсоры. Ранее мы упоминали, что техпроцесс для МЭМС имеет несколько вариаций. Они связаны в основном с технологиями поставщика и собственные технологии. Мы рассмотрим несколько примеров и выделим основные варианты.

Акселерометр и гироскоп с пассивной подложкой

Одна из моделей решения акселерометр-гироскоп изображена на рисунке 2. Имеется пассивная подложка и отдельный кристалл КМОП ИС для обработки сигнала. Элемент МЭМС изготовлен из толстого поликремния (до 30 мкм) путем глубокого реактивного ионного травления и травления т.н. жертвенного слоя (sacrificial etching). Герметизация обеспечивается низкотемпературным слоем из стеклянной фритты. Кристалл КМОП ИС в данном случае расположен над корпусом МЭМС. Данный подход используется компаниями STMicroelectronics и Bosch. Кристалл КМОП может быть расположен рядом с датчиком. Так делают ADI и Kionix/Rohm, либо, наоборот, МЭМС-датчик располагается над кристаллом КМОП, как в устройствах Freescale.

Акселерометр и гироскоп с активной подложкой

Другая модель, изображенная на рисунке 3, имеет активное покрытие. Здесь МЭМС-структура сформирована из кристаллического кремния. Между сплавленными подложками оставлена герметичная полость. Как и в первом случае, используется глубокое реактивное ионное травление и травление жертвенного слоя. Пассивной подложки нет. Герметизация обеспечивается за счет двух слоев низкотемпературного эвтектический расплава (различные комбинации металлов, например включающие AlGe, Au и Au/Sn).

Первый подход, с пассивным слоем, является более простым, однако такая конструкция занимает больше места на кристалле. С другой стороны, для выполнения металлической герметизации требуются дополнительные стадии для нанесения шаблона металлизации. Компания InvenSense является ведущим производителем МЭМС-структур с активной подложкой, которые пользуются высоким спросом у производителей смартфонов.

Кристалл КМОП ИС является неотъемлемой частью любой системы, содержащей акселерометр и гироскоп. Он обеспечивает базовые функции, такие как напряжение смещения, опорное напряжение, компенсация смещения, подстройка, самодиагностика, усиление сигнала, компенсация температурного дрейфа, возбуждение МЭМС-структуры, фильтрация, преобразование аналогового сигнала в цифровой. Кристалл КМОП может содержать процессор для обработки движения. Так сделано в решении MPU-6000/6500 InvenSense с 6 степенями свободы. Следует отметить, что 3D-акселерометр и 3D-гироскоп наряду с интегрированными решениями с 6 степенями свободы вырабатывают цифровой выходной сигнал, соответствующий стандарту I²C или PSI (или обоим). Это два наиболее распространенных в данной области стандарта.

Приведенные примеры наглядно характеризуют представленные на рынке продукты. В будущем устройства станут еще более продвинутыми. Как мы уже упоминали, продолжается работа по дальнейшей интеграции. Автономные датчики сливаются в комбинированные решения с 6 степенями свободы, выполненные на одном МЭМС-кристалле. Это возможно благодаря продвижениям в МЭМС-технологии и методах корпусирования.

Одним из замечательных примеров является намерение STMicroelectronics использовать технологию сквозных отверстий в кремнии при изготовлении корпуса. Она позволяет изготавливать активную подложку без применения связующих проводников, как показано на рисунке 4. Таким образом, структура уменьшается сразу в трех направлениях. Вместе с этим снижается стоимость решения, и улучшаются его характеристики.

Подход STMicroelectronics – в активной подложке с КМОП ИС делаются сквозные отверстия

Барометрические измерения

Вернемся к барометрам. Главным элементом данного прибора является датчик давления. Наиболее важной частью датчика давления является диафрагма.

Кремниевые диафрагмы изготавливаются несколькими способами. Частично это зависит от принципа работы датчика давления. Наиболее часто применяются два принципа: емкостной и пьезорезистивный.

В датчиках пьезорезистивного типа используется пьезорезистор, встроенный в диафрагму. Когда диафрагма колеблется, сопротивление пьезорезистора меняется, что говорит об изменении давления. В емкостных датчиках давления диафрагма является одним из электродом конденсатора. Изменение емкости говорит об изменении давления.

Рассмотрим несколько примеров наиболее распространенных датчиков давления.

Структура пьезорезистивного датчика

На рисунке 5 показан пьезорезистивный датчик. Диафрагма изготовлена из кристаллического кремния путем анизотропного травления кремниевой подложки с ориентацией (100). Скорость травления кремниевых слоев с ориентацией (111) проходит намного медленнее, чем слоев с ориентацией (100). В итоге под диафрагмой получается уникальная усеченная наклонная структура пирамидальной формы. Пьезорезисторы располагаются на краю диафрагмы. Кристалл МЭМС окружен подложкой, которая соединена с держателем и образует герметичную полость (эталонная камера) для проведения абсолютных измерений. Данный подход используется компаниями Honeywell and Freescale.

Структура пьезорезистивного датчика с подложкой из монокристаллического кремния

На рисунке 6 показан пьезорезистивный датчик с диафрагмой другого типа. При изготовлении использовалось комбинация сухого и влажного травления с выращиванием монокристаллического кремния, CMP процесс и травление жертвенного слоя. Над подложкой формируется диафрагма и герметичная полость. Необходимость соединять подложки отсутсвует. В итоге получается меньший по размеру кристалл. Пьезорезистивный элемент располагается на краю диафрагмы, где напряжение максимально. Этот подход получил название VENSENS, его использует STMicroelectronics.

Следует отметить, что барометр содержит два кристалла в одном корпусе. Один – датчик давления, STMicroelectronics и Freescale используют корпуса LGA. В LGA имеется отверстие, через которое внешнее давление достигает чувствительный элемент. Микросхема КМОП выполняет обработку сигнала и формирует цифровой выходной сигнал, совместимый с I²C и PSI.

Рассмотрим пример емкостного датчика давления. Его структура показана на рисунке 7.

Структура емкостного датчика

При изготовлении данной конфигурации использована микромеханическая обработка поверхности, нанесение толстого поликремниевого слоя (около 2 мкм) и травление жертвенного слоя. Герметичная полость и толстая диафрагма, которая служит одной из обкладок конденсатора, расположены над кристаллом МЭМС. Емкостные датчики являются главным элементом системы мониторинга давления в шине.

Наглядный пример данного класса продуктов – система мониторинга давления в шине Freescale. В нем помимо емкостного датчика и кристалла КМОП имеется РЧ-приемопередатчик для передачи данных по беспроводному каналу и микроконтроллер. Все эти элементы заключены в едином корпусе. Данное устройство часто применяется в легковых авто и грузовиках для мониторинга давления в шинах.

Заключение

Мы рассмотрели основные аспекты сочетания датчиков, в т.ч. для создания систем с 10 степенями свободы. Сочетание датчиков – мощная концепция, которая демонстрирует, как получить результат, превышающий сумму компонентов.

Далее были рассмотрены датчики движения, инерциальные датчики и барометры – ключевые компоненты систем с 10 степенями свободы. Были приведены примеры существующих решений.

При создании МЭМС-устройств часто принимаются оригинальные решения. Одни из них осторожные, другие более радикальные, но все они заслуживают внимания, потому что обладают высокой надежностью, низкой стоимостью и позволяют реализовывать новые приложения, о которых нельзя было думать пару лет назад.

Можно с уверенностью сказать, что МЭМС-датчики одинаково значимы для технологии сочетания датчиков и создания систем с 10 степенями свободы, также как и для будущих решений с m степенями свободы.

Источник: EE Times

Оставьте отзывОтмена