УДК 621.317.33
А.И. Литвинова
РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА С АНАЛОГОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — одна из самых перспективных областей современной электроники. Технология микроэлектромеханических систем позволяет с помощью методов, близких к технологии изготовления микросхем, получить в интегрированном процессе системы с электронными, механическими и электрохимическими свойствами и размерами, сопоставимыми с обычными интегральными схемами.
Основными датчиками движения являются акселерометры. Большая популярность МЭМС-акселерометров обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике.
Акселерометры оснащены чувствительным элементом, включающим инерционную массу на упругой подвеске, регулятор ее перемещения и служебную электронику, установленную на одном кристалле.
В настоящее время на рынке существует большой ассортимент цифровых и аналоговых акселерометров. Акселерометры с аналоговым выходом дешевле, но требуют внешние фильтры и ана- лого-цифровой преобразователь. С аналого-цифровыми преобразователями обычно нет проблем, так как они уже присутствуют почти во всех микроконтроллерах, но они обычно не имеют лучшей производительности, а некоторые метрологические характеристики встроенных аналого-цифровых преобразователей вовсе не указаны производителем микроконтроллеров. Аналоговые микроконтроллеры обычно подключаются к аналого-цифровому преобразователю через фильтр низких частот.
МЭМС-акселерометры уступают встроенным акселерометрам и акселерометрам макромеханической группы по своей стабильности во времени и значительной зависимости от температуры. Основным недостатком МЭМС-акселерометров является шум выходного сигнала, что затрудняет их работу.
30
УДК 621.317
Е.В. Логвинова
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МЭМС ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ
С увеличением рабочих частот и мощности сигналов использование традиционных коммутационных микроволновых компонентов, таких как диоды PIN и FET, становится проблематичным. Альтернативным решением проблемы может быть использование переключателей МЭМС. За эти годы их технология значительно улучшилась, и теперь они являются довольно надежными компонентами.
Хорошая внутренняя изоляция и низкие внешние вносимые потери, высокая мощность сигнала переключения, низкое энергопотребление, радиационная стойкость и низкая стоимость в условиях массового производства. Проблема, присущая ограниченной надежности этих устройств, была успешно преодолена, и их срок службы уже может достигать миллиарда циклов в режиме горячего переключения.
Высокочастотные микроэлектромеханические переключатели (МЭМС) (ВЧ) - это устройства, которые используют механическое движение для создания короткого замыкания или цепи электрического тока в высокочастотной линии передачи. Переключатели MEMS разработаны с различными приводными механизмами, такими как электростатический, магнитостатический, пьезоэлектрический, тепловой и т. д.
Технология МЭМС ВЧ в отличие от популярных типов датчиков и активаторов МЭМС, например, инерционные датчики не достигли такой же распространенности на массовых рынках. Но эта технология характеризуется сильным ростом. Простейшие радиочастотные устройства МЭМС могут быть объединены на одном чипе в больших количествах и легко интегрированы с электроникой или другими устройствами МЭМС.
31
УДК 681.527
Е.С. Макаренко
РАЗРАБОТКА МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ
Акселерометр — прибор, измеряющий разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением.
Реализация выходного сигнала и принципа измерения обеспечивается преобразователями перемещении, деформации, сил и электронными компонентами. Чувствительный элемент является основным конструктивным узлом акселерометра.
По виду движений инерционной массы акселерометры делятся на осевые и маятниковые. По принципу измерения акселерометры подразделяют на приборы прямого и компенсационного измерения (преобразования).
Принцип работы основан на изменении емкости конденсаторов при изменении ускорения. При изменении ускорения масса изменяет расстояние между обкладками конденсатора.
Напряжения e1 и e2 являются входными, а e3 – выходной сигнал для последующего преобразования. Емкости обоих конденсаторов изменяются на величину x(t). При x = 0 заряды идентичны. При условии, что x << d, была найдена зависимость изменения емкости конденсаторов от изменения положения обкладки. Следующим шагом была определена зависимость выходных токов от изменения положения обкладки, предварительно добавив их как i1, i2, i3. В таком выражении ток не зависит от изменения емкости, поэтому чтобы детектировать изменения, на обкладках задавались напряжения разной полярности. После этого был добавен усилитель.
Найдем зависимость выходного напряжения от изменения емкости. Далее убираем несущую частоту es(t) и получаем усиленный сигнал x(t). Таким образом была получена схема с усиленным сигналом, который отражает изменение ускорения, далее происходит демодуляция, после чего остатки шума фильтруются, получая на выходе чистый сигнал.
32
УДК 621.317.33
О.К. Мурзамуратов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТРА
СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНАЛОГОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
ВСХЕМАХ СЧИТЫВАНИЯ
Акселерометр на основе МЭМС – это один из типов передовых датчиков, которые широко применяются в различных областях, таких как автомобильная и бытовая электроника.
Кремниевые емкостные акселерометры обладают рядом преимуществ, которые делают их очень привлекательными для многих применений. Они обладают высокой чувствительностью, хорошей характеристикой постоянного тока и шума, низким дрейфом, низкой температурной чувствительностью и низкой рассеиваемостью мощности.
Кроме того, дополнительные конденсаторы могут быть интегрированы и использованы в конфигурации обратной связи с замкнутым контуром для восстановления баланса электростатических сил. Несколько различных типов разомкнутого контура конструкции изготавливаются в ITIMS, но существует большая потребность в акселерометре с замкнутым контуром.
Используя метод сигма-дельта, мы можем получить прямой аналоговый выходной сигнал в виде битового потока с модуляцией плотности импульсов, который подходит для обработки, повышает стабильность системы и уменьшает шум квантования за счет увеличения частоты дискретизации модулятора.
В последнее время в СБИС большое внимание уделяется сигмадельта преобразователям в промышленности. Раннее использование сигма-дельта преобразования было ограничено в основном кодировкой голосового диапазона. В настоящее время существует растущий потенциал для сигма-дельта-преобразователей в таких областях, как системы связи, цифровая аудиолента, компакт-диски и датчики МЭМС. Применяя дельта-сигма-модуляцию на МЭМСакселерометрах, можно решить сразу три задачи: получение цифрового выхода с высоким разрешением; обеспечение линейности обратной связи для подавления нелинейностей и вариаций датчиков; и применение управления замкнутым контуром для уменьшения броуновских шумов.
33
УДК 538.975
Р.В. Пожарский
ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую (т.к. это прямой одноступенчатый переход энергии) являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300 - 350 К
иТ Солнца около 6000 К их предельный теоретический КПД больше 90 %. Это означает, что, в результате оптимизации структуры и параметров преобразователя, направленных на снижение необратимых потерь энергии, вполне реально поднять практический КПД 50 % и более (в лабораториях уже достигнут КПД 40 %).
Теоретические исследования и практические разработки в области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии подтвердили возможность реализации этих высоких значений КПД
иопределили основные пути достижения этой цели. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Хочется отметить структуры фотоэлектрических преобразователей с гетеропереходом и структуры металлполупроводник (барьер Шоттки). Последняя структура будет рассмотрена в моей работе, а конкретно частотные характеристики фотоэлектрического преобразования.
1 Время жизни определяется процессами рекомбинации носителей.
2 Спектральный фотоотклик отражает тот факт, что фотоэлектрический преобразователь неодинаково реагирует на излучение с различными длинами волн.
3 Спектральная характеристика обуславливает спектральную область применения устройства и интегральную чувствительность.
34