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将MEMS传感器用于各种创新的消费类产品设计

2017-06-06 来源:我爱物联网

将MEMS传感器用于各种创新的消费类产品设计

  MEMS即微机电系统,是利用微米级立体结构实现感应和执行功能的一项关键技术。其中,微米级立体结构是利用被称为“微加工”的特殊工艺实现的微米大小的立体机械结构。

  因为技术和经济的原因,MEMS传感器曾经被局限在汽车市场和工业应用领域;今天,随着MEMS传感器越来越小,价格越来越低,能效越来越高,设计和应用空间不断扩大,它在消费类应用市场的普及率正在不断提高。

  制造这些器件所采用的微加工技术与制造基本集成电路所采用的工序和工艺大同小异,只不过微加工的产品通常是一个能够活动的立体的机械结构(如图1)。

  虽然制造MEMS产品可以使用多种不同的材料,但是硅越来越受到业界的欢迎,因为硅的电气、机械和热属性都非常出色。此外,半导体厂商还意识到,如果使用成熟的芯片量产制造技术,在晶片上一次可以制造数以万计的MEMS器件。这就是说,MEMS可以利用微电子器件现有的规模经济,获得更大的成本优势,特别是在进军消费类产品市场时,利用好这个优势更加重要。因此,以硅为MEMS材料的吸引力最大。

  过去,在没有这项技术之前,有很多应用是不可能的;今天,这项技术正在将这些应用变为可能。

  手提电脑、手机、便携媒体播放器和移动终端设备内的硬盘驱动器坠落保护功能,是MEMS运动传感器在消费电子市场的具有重要历史意义的代表性应用之一。

  在手提电脑内的三轴加速计可以监测加速度,因为具有特定的功能和数据处理电路,它能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故,并及时命令读写头缩回到安全位置,以防电脑最终摔落在地板上时损坏读写头。

  健身和健康监测是MEMS传感器的另一类具有代表性的应用。

  计步表或计步器是利用三轴MEMS传感器实现健身和健康监测功能的代表性应用,在特定的情况下,计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度,通过处理加速度数据,计步器显示用户走过的步数和速度,以及在身体运动过程中所消耗掉的热量。

  图 1 : 基于MEMS的线性加速计。

  图2:意法半导体开发的一款基于MEMS的计步器参考设计。

  计步器功能通常被嵌入在在手机和便携媒体播放器(MP3和MP4)内,对于这些设备,可以设定在固定时间内要达到的步数目标,并能测量完成这个目标所消耗的热量。虚拟健身房的会员之间还可以在网上分享这些信息,并开展以促进体育活动和健身运动为目标的虚拟比赛。

  计步器也是便携式导航仪中的一个重要模块。便携式导航仪能够确定使用者的位置,提供引路功能,查找公共服务地点,接收地区广告。在特殊情况下,例如,在市区,因为地下通道、立交桥、高楼、室内的阻挡,GPS信号会变弱,这时MEMS运动传感器的信号就可以暂时替代GPS模块,起到辅助导航定位的作用。

  在另一项应用中,MEMS传感器可以用于设计一种老人急救设备。当老人意外摔倒时,这个设备可以检测到摔倒动作,自动发出一个报警信号,请求紧急救援。通过MEMS传感器和GPS模块,可以估算到需要救助的受伤老人所在位置,并在网络上传送位置信息。在不久的将来,这些仪器商用化后,将会给不断增长的老龄化人群提供一个更安全的生活环境。

  如今,能够检测运动、方向和手势的MEMS传感器正推动运动传感技术向手机、游戏机、便携媒体播放器等市场扩展。

  先进的功能、小巧的外观、出色的能效,MEMS传感器正在促进更加人性化的设备问世,有了这些能够识别人类手势的设备,用户不必再阅读冗长、复杂的用户手册,学习如何使用人机界面。

  MEMS有助于打破用户与应用之间的障碍:传感器像系统的眼睛,能够测量加速度和角速度等物理量;电子元器件处理传感器送来的信息,利用特殊的算法识别输入数据,然后激活相应的功能。

  游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出代表,以具有革命性的任天堂Wii游戏机为例,微型运动传感器能够捕捉到玩家任何细微的动作,并将其转化成游戏动作。MEMS技术让玩家动起来:玩家陶醉于真实的游戏体验,通过不同的动作融入到游戏中,例如,模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作(如图3)。

  图3:MEMS使玩家动起来。

  MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高,目前市场上采用MEM加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面变得更简单、更直观,通过手的动作就可以操作界面功能,全面增强了用户的使用体验(见图4)。

  图 4:MEMS运动控制式用户界面。

  根据终端设备的指向,MEMS传感器可以把图像、视频和网页(无论是人物肖像还是风景画面)进行旋转。通过上下左右倾斜手机,还可以查看手机菜单;只要轻轻击打手机机身,就可以在屏幕上选中不同的图标,所有这些智能功能离不开新一代MEMS器件内嵌的先进数字技术。

  有了MEMS加速计,只要把设备向某一方向倾斜,就能在小屏幕上详细查看地图,显示放大的图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作,这个简单的手势可以让播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。

  低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术,当手机没有关闭放在饭桌上时,MEMS传感器将会把耗电大的模块(如显示器背光板和GPS模块)全部关闭,以降低手机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身,又可以打开全部功能。

  同样地,无论何时,把手机正面向下反放在桌子上,手机设置就会切换到静音模式;只要碰触一下机身,就可以关闭静音功能。MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样子:只有数量很少的按键,不再有普通的键盘。向手机输入信息时,用户在空中书写数字和字母,MEMS传感器识别这些动作,手机软件将这些动作还原成数字和字母;软件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。

  MEMS加速计与陀螺仪配合使用,可以把更先进的选择功能变为现实,例如:能够在空中操作的三维鼠标和遥控器。在这些设备中,传感器检测到用户的手势,将其转换成PC屏幕上的光标移动或机顶盒和电视机的频道和功能选择。图5是一个含有MEMS传感器的遥控器解决方案,MEMS传感器组、两个陀螺仪和一个加速计检测手腕或鼠标在空中的动作,同时微控制器执行动作跟踪和手势识别功能。然后,重组的运动曲线通过无线连接发送到机顶盒或PC机,无线链路可以采用红外或射频,具体视应用要求而定。

 图5:MEMS 3D遥控器和指示器。

  近来上市的高能效低价微型MEMS传感器彻底改变了人们与移动终端设备的互动方式。在各类移动终端、游戏机、遥控器等设备上,MEMS运动传感器可以实现先进的功能,令人心动的用户界面,用户的手势、碰摸就能够激活相应的功能。

  可以预计,在不久的将来,MEMS技术会得到进一步发展,周围环境将布满传感器网络,我们的衣服内嵌有传感器网络,这将会扩大可行设计应用的空间,让我们更好地与世界互动,更好地控制我们所在的世界。

来源:凌空幻生

介观压阻型微压力传感器介绍及设计

  压力传感器应用广泛,例如汽车中的多路压力测量(如空气压力测量和轮胎系统、液压系统、供油系统的压力测量)、环境控制(如加热、通风和空气调节)中的压力测量、航空系统中的压力测量以及医学中动脉血液压力测量等。这里将在传统压力传感器中使用一种新原理一介观压阻效应口,即在共振隧穿电压附近,通过4个物理过程,将一个微弱的力学信号转化为一个较强的电学信号。

  用基于介观压阻效应的共振隧穿薄膜替代传统的压阻式应变片作为敏感元件,通过理论分析和仿真计算验证了该结构对传感器灵敏度、固有频率的影响,从理论上证明了介观压阻效应原理可以提高压力传感器的灵敏度,扩大其测量频率的范围。

  介观压阻效应及GaAs,AlAs/InGaAsDBRT结构薄膜

  介观压阻效应的定义为“等效电阻的应力调制”,等效电阻是对共振隧效应的一种具体描述。由4个物理过程组成:①在力学信号下,纳米结构中的应力分布将发生变化;②一定条件下应力变化可引起内建电场的产生;③内建电场将导致纳米带结构中量子能级发生变化;④量子能级变化会引起共振隧穿电流变化。简言之,在共振隧穿附近,通过上述过程,可将一个微弱的力学信号转化。为一个较强的电学信号,体现出较大的压阻系数。这里所用的介观压阻效应元件为GaAs/A1As/InGaAs DBRT结构薄膜纳米级窄带隙材料。随着外部压力引起的拉伸应变的变化(如图1所示),DBRT结构的共振隧穿电流和阻抗显著变化。并且,阻抗应变输出可由外部电压有效调节。其优点是灵敏度高、灵敏度可调、灵敏度随温度变化小。

  传感器结构设计及力学分析

  所设计的压阻式压力微传感器,其制法是将N型硅腐蚀成厚10~25μm的膜片,并在一面扩散了4个阻值相等的P型电阻。硅膜片周边用硅杯固定,则当膜片两面有压力差时,膜片即发生变形,从而导致电阻变化。用微电路检测出这种电阻变化,通过计算即可得出压力变化如图2所示。

  计算时假设:小挠度理论;压力是均匀作用于平膜片表面。由平膜片的应力计算公式可知:

  当r<0.635R时,σ>0;

  同样,当r=0.812R时,σT=0,且σr<0,如图3所示。在圆形硅膜片上,沿[110]晶向,在0.635R半径内外各扩散2个电阻,并适当安排扩散的位置,使得σn=一σro,则有(△R/R)i=一(△R/R)

  这样即可组成差动全桥电路,测出压力P的变化。式中σri,σro分别为内、外电阻上所受径向力的平均值;(△R/R)i,(△R/R)分别为内、外电阻的相对变化。

  根据膜的结构与应力计算公式,推出被测压力与应变片测出的应变关系:

  式中:μ为硅材料的泊松比,μ=O.35;R,r,h分别为硅膜片的有效半径,计算半径,厚度;E为硅材料的模量,E=8.7Gpa;P为作用于平膜片上的压力;ω为平膜片的挠度;

  经过分析,综合考虑设计的要求,初步设定:h=20μm,R=200μm。其固有频率可以按下式计算:

  传感器的性能分析与计算

  使用介观压阻效应原理代替压阻原理来检测压力,将圆膜片上的的压敏电阻换成GaAs/A1As/InGaAs DBRT结构薄膜。用传递矩阵法计算该薄膜在沿生长方向的应力变化下的输出响应,通过整个结构的隧穿电流密度可表示为:

  式中:e为电子电荷的大小,m*为GoAs电子的有效质量,kB为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,EF为费米能级,E1为入射电子垂直(纵向)能量。

  利用公式可计算出不同拉伸应变下隧穿电流随偏压的变化,如图4所示。图中实线、虚线分别表示0和5%的拉伸应变。计算偏压分别为0.75 V和1.2 V时的压阻系数为:

  

  传感器的输出为:

  设偏压为0.75 V设偏压为0.75 V,电桥的激励电压为2.5 V的情况下,该传感器的灵敏度S为:

  结语

  该结构的压力微传感器由于敏感元件与变换元件一体化,尺寸小,其固有频率很高,可以测量频率范围很宽的脉动压力。在不同的偏压下,该传感器的灵敏度不同。说明灵敏度可调节。同样结构的微压力传感器,如果敏感元件是硅或铜镍合金压敏电阻,其灵敏度分别为0.38x104V/m和O.17×104V/m。可见采用共振隧穿二极管做为敏感元件的微压力传感器其灵敏度较之传统的传感器得到了很大的提高。

来源:神秘

基于片上系统芯片的传感器模块设计

  摘要: 本文对研制的传感器模块进行了全面的介绍,本系统的研究为IEEE1451网络化智能传感器的研究奠定了一定的基础,为开发各种标准化的IEEE1451传感器模块STIM提供了范例。

  1 引言

  随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高,特别是Internet的不断普及和Intranet在企业中日益增多,为此,将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能。智能传感器网络概念由此而产生。智能传感器网络化技术致力于研究智能传感器的网络通信功能,将传感器技术,通信技术和计算机技术融合,实现信息的采集、传输和处理真正统一和协同。本文研制了一种基于片上系统芯片的传感器模块软硬件设计。

  2 传感器模块硬件系统结构

  传感器模块(STIM)原理框图如图1所示,主要包括:变送器阵列模块、信号调理模块、多通道数据采集模块、TEDS模块及TII智能接口等部分。为了增强系统的集成度,设计采用了集成式的片上数据采集系统ADuC812。

  传感器的输出信号经调理模块放大调理,输入至ADuC812片内的多通道ADC,ADC对相应通道模数转换后,存储于RAM中,然后通过TII智能接口将数据读入NCAP。为了方便TEDS内容的升级与更新,系统采用异步串行口来下载电子数据表格至ADuC812的片内Flash。此外,异步串行口还可用来下载和调试用户程序,方便系统开发。

  3 传感器系统硬件详细设计

  3.1 STIM传感器前端信号采集电路设计

  温度传感器采用AD公司的AD590芯片实现的,它是单片集成两端感温电流源。其电路原理图如图2所示,其中R1=5.1KΩ,R2=R3=10KΩ,R4=2KΩ,R5和R6分别选10KΩ的电位器。AD590受温度变化产生电流信号时,在电阻R1两端产生电势差,从而在运放输入端产生电压信号,由加法电路进行调节零点漂移;由运放OP07进行比例放大,放大倍数由电位器R6调节,使测试温度范围在0~65℃,输出电压相应为0~2.5V。

  3.2 复位电路设计

  ADuC812需要外接POR(Power-on reset,上电复位)电路。上电复位电路在电源电压低于2.5V时,要使RESET引脚保持高电平;而且,在电源电压高于2.5V时,RESET引脚保持低电平至少10ms。在本模块中采用专门的POR芯片ADM810设计的POR电路。ADM810是CMOS监控电路芯片,能够监控电源电压、电源故障和微处理器的工作状态。复位信号RESET用于启动或重新启动CPU,在上电期间只要电源电压VCC大于1.0V,就能保证输出高电平电压。在VCC上升期间RESET保持高电平直到电源电压升至复位门(4.65V)以上,在超过此门限后,内部定时器大约再维持200ms后释放RESET,使其返回低电平。无论何时,只要电源电压降低到复位门限以下(即电源跌落),RESET引脚就会变高,如果在已经开始的复位脉冲期间出现电源跌落,复位脉冲至少再维持140ms。在掉电期间,一旦电源电压VCC降到复位门限以下,只要VCC不比1.0V还低,就能使RESET维持高电平。

  3.3 TII接口模块

  TII接口是硬件设计的重点,该接口不是一种额外的网络协议,而是连接NCAP和STIM的接口,主要定义二者之间的点对点连接,同步时钟的短距离接口。TII是基于SPI协议的串口通信接口,其中DIN,DOUT,DCLK和NIOE完成通讯功能,NTRIG和NACK实现与STIM有关的通道读写、触发和应答,STIM使用NINT信号要求从NCAP得到服务,NCAP使用NSDET信号检测STIM模块,实现STIM的即插即用。系统采用ADuC812的SPI总线和其它的I/O资源来模拟实现TII十线接口。连接示意图如图3所示。为了实现STIM模块的热插拔,需对TII接口的供电电源进行处理,可以在STIM方面加入热插拔保护电路,当然也可以在NCAP方面加入保护电路。本系统在NCAP方面加入了保护电路。

  3.4 信号调理存储电路设计

  数据采集系统的设计过程中,输入数据采集系统的电信号与ADC的输入范围并不一定匹配,因而,一般不直接送入ADC进行转换,必需对输入的信号进行信号调理,经过信号调理后的模拟信号符合ADC的要求。将传感器送来的信号送入放大器OPA4350,此时放大器OPA4350形成一个电压跟随器,起到阻抗变换的作用,以增大输出电流。从放大器输出的信号输入ADuC812控制器的AD转换通道进行数据采集。

  由于ADuC812内部只有256字节数据RAM,因此,需外扩大容量RAM,在此选用了IS61C256,扩展了32K数据区。考虑到ADuC812内部集成了640字节Flash,可以作为电子数据表格的存储区,所以无需外扩Flash存储器。

  3.5 在线下载与调试

  程序存储器阵列可以按两种模式之一来编程:一种是串行下载(在线编程)模式;另一种是并行编程模式。并行编程模式与常规的第三方提供的闪速或EEPROM器件编程器完全兼容,但应用起来较复杂,需要对ADuC812中支持并行编程所需的外部引脚进行配置。所以,在本模块的开发和调试过程中采用的是串行下载模式。作为工厂引导代码的一部分,ADuC812本身具有在线编程的程序,使经过标准UART串行接口实现串行代码下载变得容易,只需通过一个与地相连的1kΩ电阻将ADuC812的/PSEN引脚拉至低电平,那么上电时器件将自动进入串行下载模式。本系统使用图4的RS-232接口电路,从而实现上位机与ADuC812的串行接口通信。

  4 传感器模块软件设计

  程序软件是系统的灵魂,系统依靠程序软件的运行实现传感器模块的所有功能。程序软件的合理设计可以有效的发挥扩展系统硬件的功能。本模块的软件设计模型的结构化来自于IEEE1451.2标准的结构。系统的处理器是与51系列单片机兼容的ADuC812,可以采用面向MCS-51的程序设计语言,包括ASM51汇编语言和C51高级语言。与以往的80C51单片机不同,ADuC812具有在线调试和下载功能,它由支持ADuC812的开发工具包Quickstart开发系统来提供。也就是说,在用户系统保留ADuC812的情况下,通过开发系统与ADuC812的串行接口通信,直接对用户系统进行调试。

  1、STIM的软件模块。

  STIM必须包含一个TEDS、控制与状态寄存器、通道、中断标志、地址和函数编译逻辑、数据传输与处理函数,触发和触发承认函数、一个TII驱动和一个传感器接口。IEEE1451.2STIM的软件分了四个主要部分:(1)传感器接口STIM模块;(2)传感器独立接口TII模块;(3)电子数据表格TEDS模块;(4)地址与函数功能模块。

  2、数据采集程序。

  为了使数据采集系统得到高精度的数据,不但硬件上需要采取上述的一些抗干扰以及提高精度的措施,如对供电电源进行严格稳压处理,对ADC输入信号进行RC高频滤波,采用高精度、高稳定度的ADC基准源,采用高精度的传感器等等,同时软件上的优化也相当重要,合适的软件设计能进一步提高精度,提高数据采集系统整体性能。

  3、TEDS下载程序。

  本系统的TEDS下载程序是RS232串行通讯程序,分为单片机程序和上位机程序两部分组成。这里研究单片机程序的开发。PC机和单片机之间要实现串行通信,除了要遵守RS232串行通讯协议外,还必须具有各自的通信应用软件。通信软件的设计思路是:PC机为主动方式,在通讯开始后由PC机向单片机发送请求,单片机返回应答信号,通讯正常后,单片机根据PC机发送来的命令,执行相应功能并应答。单片机流程图如图5。

  5 系统测试

  本测试系统的大体设计思路是:以ADuC812作为下位机,当接收到上位机的指令采集数据,通过串口将采集到的数据传给上位机,上位机将得到的测试数据很容易被转化成直观的图表等形式,并可以保存于计算机中以便将来使用。本系统需要为单片机和上位机分别编制软件,以实现数据的沟通,本系统采用VB来编写上位机的程序,用汇编语言来编写ADuC812的程序。由于VB具有MSCOMM控件,我们可以很方便地用串口来采集所需要的数据。而且,VB的程序通俗易懂,移植性较强,开发简单、周期短,绘图功能强大,特别适合应用到需要绘制曲线的系统。

参考文献:

[1].ADuC812datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADuC812_125053.html.[2].AD590datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/AD590_1055375.html.[3].OP07datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/OP07_950754.html.[4].ADM810datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADM810_1055640.html.[5].NACKdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/NACK_2003539.html.[6].OPA4350datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/OPA4350_1056272.html.[7].IS61C256datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/IS61C256_1654183.html.[8].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.[9].MCS-51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.[10].80C51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/80C51_103447.html.[11].RS232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.

来源:神秘

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