W artykule prezentujemy budowę i możliwości nowej wersji płytki iNEMO firmy STMicroelectronics. Zamontowane na niej sensory, wśród których są m.in. żyroskopy, akcelerometr i magnetometr, dobitnie pokazują ogromne możliwości współczesnych układów MEMS.

Najsłabszym ogniwem każdego urządzenia są zazwyczaj jego części mechaniczne. To właśnie elementy mechaniczne statystycznie ulegają uszkodzeniom jako pierwsze. Weźmy za przykład komputery przenośne – laptopy. Elementami, które najczęściej spotykają usterki są dyski twarde oraz napędy optyczne. Obecnie napędy optyczne powoli tracą na popularności i można się spodziewać, że z czasem będą montowane coraz rzadziej. Z drugiej strony podatne na uszkodzenia dyski twarde są zastępowane pamięciami stałymi, tzw. SSD (Solid State Disk).

Układy MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) dzięki swojej niezawodności, małym wymiarom i niezwykle niskiej cenie w odniesieniu do właściwości, umożliwiły budowanie urządzeń o zaskakujących możliwościach. Nikogo już nie dziwi obecność w telefonie komórkowym czy smartfonie, akcelerometru lub żyroskopu. Warto jednak mieć świadomość, jak bardzo, szczególnie te ostatnie, są zaawansowanymi technologicznie urządzeniami.

Producenci półprzewodników prześcigają się w opracowywaniu coraz to nowszych układów MEMS o lepszych parametrach i niższych cenach. Jednym z wiodących producentów w tej branży jest STMicroelectronics. Doskonałą prezentacją możliwości produkowanych przez ST sensorów jest płytka iNEMO.

Płytka iNEMO

Obecnie dostępna jest już druga wersja zestawu iNEMO, wyposażona w imponujący zestaw czujników. Do dyspozycji są żyroskopy, mierzące prędkość kątową w trzech osiach, trójosiowy akcelerometr, miernik pola magnetycznego, czujnik ciśnienia i temperatury. Wygląd płytki wraz z zaznaczonym rozmieszczeniem kluczowych elementów przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Zestaw iNEMO

Zestaw można zasilić albo za pomocą zewnętrznego zasilacza, albo wykorzystując do tego celu port USB. Warto podkreślić, ze płytkę charakteryzują małe wymiary: 40×40 mm. Poniżej zamieszczony jest krótki opis układów zastosowanych w iNEMO.

Mikrokontroler

Na płytce iNEMO zamontowany jest mikrokontroler z rodziny STM32F103. Jest to przedstawiciel segmentu Performance line, może pracować z częstotliwością do 72 MHz, posiada między innymi: trzy 12-bitowe przetworniki A/C, cztery 16-bitowe timery ogólnego przeznaczenia oraz wiele interfejsów komunikacyjnych (np. 2xI2C, 3xSPI itd.). Mikrokontroler można programować przez albo przez USB przy użyciu bootloadera DFU, albo standardowo przez interfejs SWD/JTAG. W przypadku dodawania nowych funkcjonalności szczególnie ten ostatni sposób będzie przydatny ze względu na możliwość debugowania programu.

Żyroskopy

Żyroskopy wykonane w technologii MEMS do mierzenia prędkości kątowej wykorzystują efekt Coriolisa. Zasadę działania wyjaśniono na rysunku 2. Masa drgająca jest zawieszona na sprężynujących elementach, które wyznaczają kierunek poruszania się. Ortogonalnie do kierunku drgań umieszczone są grzebieniowe kondensatory. Jeśli struktura z uruchomioną masą drgająca zacznie się obracać, to siła Coriolisa sprawi, że masa wychyli się zgodnie z zaznaczeniem na rysunku 2, zmieniając tym samym pojemność kondensatorów.

Rys. 2. Zasada działania żyroskopu w technologii MEMS

Rys. 3. Osie pitch i roll