MEMS İvmeölçerlere Giriş - Blog - DTA Mühendislik
15/04/2020 15/04/2020 marketing
MEMS, mikro elektro mekanik sistem (microelectromechanical system) anlamına gelir ve mikroelektronik üretim teknikleri kullanılarak üretilen tüm sensörler için geçerlidir. Bu teknikler, tipik olarak silikon üzerinde mikroskobik boyutta mekanik algılama yapıları oluşturur. Mikroelektronik devrelerle birleştirildiğinde, ivme gibi fiziksel parametreleri ölçmek için MEMS sensörleri kullanılabilir. ICP® sensörlerinden farklı olarak, MEMS sensörleri 0 Hz’e kadar olan frekansları (statik veya DC ivme) ölçer. PCB iki tip MEMS ivmeölçer üretir: değişken kapasitif(variablecapacitive) ve piezoresistif (piezoresistive). Değişken kapasitif (VC) MEMS ivmeölçerler düşük ivme değerleri, yüksek hassasiyetli yapısal izleme ve sabit ivme ölçümleri için kullanılan cihazlardır. Piezoresistif (PR) MEMS ivmeölçerler, şok ve patlama uygulamalarında kullanılan daha yüksek ivme değerli, düşük hassasiyetli cihazlardır.
PCB VC MEMS ivmeölçerleri model serileri 3711, 3713 ve 3741’dir. PCB PR MEMS ivme ölçerleri model serileri 3501, 3503, 3641, 3651 ve 3991’dir.
DEĞİŞKEN KAPASİTİF (VC) İVMEÖLÇERLERİN YAPISI
MEMS VC ivmeölçerlerindeki algılama elemanı, iki paralel plaka arasında asılı duran mikro düzeyde işlenmiş bir proofkütleden oluşur. Kütle, bir halka çerçevesine tutturulmuş esnek bağlantı parçası üzerine asılır. Bu konfigürasyon, proof kütlesi ile üst ve alt plakalar arasında iki airgapkapasitörü oluşturur. İvme uygulandığında proof kütlesi hareket ettikçe, bir hava boşluğu azalır ve diğer boşluk artar, ivme ile orantılı olarak kapasitansta bir değişiklik yaratır.
Üst ve alt plakalar, bir cam yapıştırıcı ile proof kütle algılama elemanına lamine edilmiştir. Bu, proof kütlesi için hermetik bir mahfaza oluşturur ve mekanik izolasyon ve koruma sağlar.
Proof kütlesinin süspansiyon sisteminin sertliği değiştirilerek, tam skala ölçüm aralıklarının seçimi elde edilir. Yüksek doğal frekans, hafif proof kütle ve süspansiyon sertliğinin kombinasyonu ile elde edilir. Sağlamlık, proof kütlesinin hareketini kısıtlamak için iki dış silikon devre plakasında mekanik durdurmaların kullanılmasıyla arttırılır.
Sensör elemanları, mekanik doygunluğa neden olan yüksek frekanslı rezonans girişlerini azaltmak için Squeeze-Film gaz sönümlemesi kullanır. Bu, proof kütlesinin hareketi, yer değiştirme sınırlarını aştığında meydana gelir. Sönümleme, rezonans genişlemesini azaltarak doygunluğu önlemeye yardımcı olur ve frekans cevabının düz kısmını uzatır. Gaz sönümlemesi sıcaklık değişikliklerinden minimum düzeyde etkilenir.
Algılama elemanı, ivmeölçerdeki elektroniklerin geri kalanına bir köprü devresi olarak bağlanır. Bu, yaygın mod hatalarını en aza indirir ve doğrusallığı geliştirir. Tüm PCB VC ivmeölçerler, yüksek hassasiyet çıkışı sağlayan şartlandırma devresi içerir. Bu entegre devre, aşırı sıcaklıklarda0bias ve hassasiyet hatalarını da dengeler. MEMS VC ivmeölçer yapısı için Şekil 1’ebakınız. Algılama elemanları, tipik olarak titanyum veya alüminyum mahfazalara yerleştirilmiş bir devre kartına monte edilir.
Şekil 1:MEMS değişken kapasitif (VC) DC ivmeölçer yapısı
MEMS VC İvmeölçer Fonksiyonu ve Çalışması
VC MEMS ivmeölçerlerinin DC yanıtından yararlanmak için, okuma cihazının DC bağlı (DC Coupled) durumda olması gerekir. Güç için bir sinyal şartlandırıcı kullanılırsa, DC bağlanmış olmalıdır. Çoğu PCB VC MEMS ivmeölçer yerleşik bir voltaj regülatörü içerdiğinden, performansı olumsuz etkilemeden herhangi bir 6 ila 30 VDC güç kaynağından da çalıştırılabilir.
VC MEMS ivmeölçerleri statik (sabit) ivmeyi ölçebildiğinden, DC ofset voltajı Dünya’nın yerçekimine göre konumsal hizalamadan etkilenecektir. İvmeölçerin ölçüm ekseni yerçekimi ile hizalanmadığında, çıktı PCB® kalibrasyon sertifikasındaki g ofset voltajına eşit olacaktır. İvmeölçerin ölçüm ekseni yerçekimi ile hizalanmışsa, çıkış, bias voltajı artı 1g çıkışa eşit olacaktır. Şekil 2 ve 3, sensöroryantasyon örneklerini göstermektedir.
Şekil 2:Sensör / Ölçüm ekseni yerçekimi ile hizalanmadı (0 g çıkış koşulu)
Şekil 3:Sensör / Ölçüm ekseni, Dünya’nın yerçekimine göre + 1g çıkış durumuna monte edilmiştir
VC MEMS sensörlerinin içindeki elektronik devrelerde bir voltaj regülatörü bulunur. Bu, sensörün herhangi bir regüle edilmemiş DC voltaj kaynağı tarafından çalıştırılmasını sağlar. PCB, VC MEMS güç kaynakları olarak 482C27 (4 kanallı) ve 483C28 (8 kanallı) sinyal koşullandırıcı modelleri sunar. Kabul edilebilir diğer güç üniteleri arasında otomotiv veya deniz pilleri, DC voltaj laboratuvar malzemeleri ve düşük voltaj PC kartı voltaj kaynakları yer alır.
Topraklama devrelerinin indüklenmemesini sağlamak için kablo korumasının bir uçta sonlandırılması gerekir. Tipik olarak, kablonun korumasısensör mahfazasına bağlıdır. Sensör, test yapısından ayıran bir yalıtım pedi (veya başka bir elektrik yalıtımı formu) ile monte edilirse, kablo koruması, sinyal düzenleyici veya veri toplama ucundaki sinyal toprağına bağlanabilir. Aksi takdirde kablo korumasıenstrümantasyon ucunda dalgalanan halde (bağlı değil) bırakılmalıdır.
MEMS VC İVMEÖLÇER DOĞRULAMASI
Bu ivmeölçerler kritik ölçüm uygulamalarında kullanılmak üzere tasarlandığından, hassasiyetin spesifikasyon dahilinde olduğundan emin olunmalıdır. İvme referansı olarak, Dünya’nın yerçekimi kullanılarak doğru bir statik kalibrasyon yapılabilir. İlk olarak, ivmeölçeri, taban montaj yüzeyine dayanacak ve model numarası yukarı bakacak şekilde + 1g yönünde yerleştirin (Şekil 3). İvmeölçere bu yönde + 1g ivme geliyor. Bir DVM kullanarak DC çıkış voltajını kaydedin. Sensörü 180° ters çevirin. Model numarası aşağı bakacak şekilde üst kısmını montaj yüzeyine yerleştirin (Şekil 4). Sensöre -1g ivmegeliyor. DC çıkış voltajını kaydedin. İvmeölçerin hassasiyetini hesaplamak için aşağıdaki denklemi kullanın:
Hassasiyet = [(+1g) – (-1g)] / 2
Şekil 4:Sensör / Ölçüm ekseni, Dünya’nın yerçekimine göre -1g çıkış olacak şekilde monte edilmiştir.
PİEZORESİSTİF (PR) İVMEÖLÇERİN YAPISI
PR ivmeölçerlerindeki algılama elemanları, bir üst ve alt silikon devre levhası arasına sıkıştırılmış bir orta silikon devre üzerindeki esnek yapılardan oluşur (Şekil 5). Bu esnek yapıların bükülmesi, uygulanan ivme ile orantılı olan, dirençte ölçülebilir bir değişikliğe neden olmaktadır. Esnek yapının veya sismik kütlenin sertliğinin değiştirilmesiyle, tam skala ölçüm aralıklarından bir seçim elde edilir.
Üst ve alt silikon devre levhaları, bir cam yapıştırıcı kullanılarak orta silikon levhaya lamine edilir. Bu, esneklik için hermetik bir muhafaza ve aşırı aralık koruması için mekanik durdurmalar sağlar. PR ivmeölçerleri yüksek şok uygulamalarında kullanıldığında, gaz sönümleme rezonansgenişlemesini azaltır. Sönümleme, yüksek frekanslı enerji cevabını azaltır. Sönüm üzerindeki termal etkileri azaltmak için sıvı yerine hava kullanılır.
Şekil 5:MEMS piezoresistif DC ivmeölçer yapısı
Algılama elemanları tamamen aktif bir Wheatstone köprüsü konfigürasyonunda düzenlenmiştir. Tamamen aktif bir köprü (Şekil 6), ivme veya kuvvet ile artan iki direnç ve azalan iki dirençtenoluşur. Bunlara sırasıyla germe ve sıkıştırma dirençleri(gage)denir. Bu çıkış hatlarının voltajlarındaki fark, uygulanan uyarma (excitation) voltajıyla orantılı olacaktır. Uygulama sırasında kullanılan uyarma gerilimi, kalibrasyon işlemi sırasında kullanılanla aynı olmalıdır.
Şekil 6: Wheatstone Köprüsü
Algılama elemanları, tipik olarak titanyum veya alüminyum mahfazaların içine yerleştirilmiş devre kartlarına monte edilir. Yüzeye montaj tipleri de mevcuttur. Yüzeye monte MEMS sensörleribir üst seviye montaj seviyesi olarak,lehimlenebilir veya epoksi ile yapıştırılabilir. Şekil 7, 8 ve 9 montajlama stillerine örnektir.
Şekil 7: Titanyum kaplamalı PR MEMS sensörleri
Şekil 8: Alüminyum gövdede PR MEMS sensörü
Şekil 9: Yüzey montajı lehimlenebilen PR MEMS sensörü
MEMS PR İVMEÖLÇER FONKSİYONU VE ÇALIŞMASI
MEMS ivmeölçerlerinin DC yanıtından yararlanmak için, veri toplama cihazının DC bağlı (DC Coupled) durumda olması gerekir. Güç için bir sinyal şartlandırıcı kullanılırsa, DC bağlanmış olmalıdır. PR ivmeölçerleri hassasiyeti, uyarma voltajıyla orantılı olduğundan, regüle edilmiş bir voltaj kaynağı ile çalıştırılmalıdır. Kalibre edilmiş hassasiyet değerini elde etmek için, sensör sertifikasında yazan uyarma voltajı kullanılması önerilir . PCB, 482C27 ve 482C28 sinyal koşullandırıcı modelleri piezoresistif MEMS sensörlerine güç sağlamak için kullanılabilir.
Çoğu titanyum kaplamalı PR MEMS ivmeölçer, algılama elemanlarına takılı ve entegre bir kablo ile birlikte verilir. Kablo ucu pigtail olup bir köprü şartlandırıcıya bağlantı için hazırdır (Şekil 10). Topraklama sorununu önlemek için topraklama kablosu ve kablo koruması,enstrümantasyon ucuna uygun şekilde bağlanmalıdır. Dahili izolatörler, algılama elemanını muhafazadan ve montaj yapısından elektriksel olarak izole tutar.
Şekil 10: Entegre kablo ve pigtail sonlandırmalı PR MEMS ivmeölçer
MEMS PR İVMEÖLÇER DOĞRULAMASI
MEMS PR ivmeölçerlerinin kritik ölçüm uygulamalarında kullanılması amaçlanmıştır. Sensörün sağlığı, çıkış ofset voltajını ve köprü direncini kontrol ederek doğrulanır.
Çıkış ofset voltajını kontrol etmek için + Exc ve –Exc uçlarını uygun bir güç kaynağına bağlayın. + Sig ve –Sig uçlarını VDC okumaya ayarlanmış bir volt metreye bağlayın. Sensörü düz ve sabit bir yüzeye oturacak güvenli bir şekilde + 1g yönünde monte edin. Sensörün diferansiyel voltaj çıkışını ölçün. Ölçülen ofset voltajının doğrulanması için kalibrasyon sertifikasını kontrol edin.
Köprü direncini kontrol etmek için bir dirençölçer kullanın veya direnci ölçmek için dijital bir multimetre ayarlayın. Sensörü düz bir zemine yerleştirin. Bu test için bir uyarma voltajı uygulanmasına gerek yoktur. Giriş direnci + Exc ve –Exc kabloları arasında ölçülür. Çıkış direnci + Sig ve –Sig kabloları arasında ölçülür. Ölçülen direnç değerlerinin doğrulanması için kalibrasyon sertifikasını kontrol edin.
Test Sistemleri accelerometer, ivmeölçer, MEMS, pcb piezotronics, sensör permalink
Doğal Frekans ve Rezonans