Akcelerometry, żyroskopy i magnetometry wykonane w technologii MEMS (mikrosystemów elektromechanicznych) zmieniły sposób pracy i interfejs użytkownika w smartfonach i tabletach. Dzięki tym mikroskopijnym układom nasza codzienna interakcja z zaawansowanymi produktami elektroniki użytkowej jest bardziej wygodna, naturalna i produktywna.

Produkcja podzespołów MEMS stanowi poważną gałąź światowego biznesu elektronicznego. Przykładowo, firma STMicroelectronics w styczniu 2015 ogłosiła dostawę 7-miliardowego układu. Paradoksalnie jednak układy MEMS znajdują się w stosunkowo niewielkiej liczbie produktów końcowych.

Technologia MEMS mogłaby znaleźć szersze zastosowanie. Faktyczne wykorzystanie nie ma też wpływu na rozwój zaawansowanych technologii MEMS oraz powstawanie nowych rodzajów układów wymyślonych przez producentów MEMS, które wciąż postępują. W najbliższej przyszłości wysiłki projektantów układów scalonych będą skierowane na potrzeby producentów smartfonów i tabletów.

Już w chwili obecnej  technologia MEMS jest potencjalnie użyteczna dla producentów urządzeń innych rodzajów, wszystko zależy od wyobraźni twórców produktów końcowych, którzy odkryją nowy potencjał poza telefonami i tabletami.

W tym celu powstał niniejszy artykuł, w którym opisano możliwości najnowszych układów MEMS. Zrozumienie tych możliwości pozwoli projektantom tworzyć nowe rozwiązania.

Zalety technologii MEMS

Atrakcyjność technologii MEMS wynika z kilku cech: układy mają małe rozmiary, są trwałe i można je produkować tanio przy użyciu dostępnych już technologii produkcji układów krzemowych. Na zdjęciu 1 przedstawiono wewnętrzną strukturę akcelerometru MEMS w dużym powiększeniu. Metoda tworzenia czujników MEMS pozwala na jednoczesne umieszczenie scalonych układów kondycjonowania i przetwarzania sygnału w jednym układzie.

Fot. 1. Zdjęcia akcelerometru MEMS w dużym powiększeniu pokazujące wewnętrzną strukturę

Najbardziej oczywiste zastosowanie czujników MEMS to zastąpienie konwencjonalnych czujników elektromechanicznych. Dobrym przykładem może być mikrofon. Jego kluczowym parametrem jest stosunek sygnału do szumu (SNR). Konwencjonalny mikrofon elektretowy (ECM) może osiągnąć parametry takie, jak mikrofon MEMS, ale jego obudowa zajmuje objętość przynajmniej 30 razy większą. Jest on również mniej trwały i nie przetrwa lutowania do płytki, podczas gdy nie stanowi to problemu dla mikrofonu MEMS. Oznacza to znaczne obniżenie kosztów produkcji. Co więcej, metoda produkcji mikrofonów MEMS gwarantuje znacznie niższy rozrzut charakterystyki częstotliwościowej, niż w przypadku ECM.

Dziś każdy projektant używający mikrofonów ECM powinien zastanowić się nad zamianą na mikrofon MEMS. Wysoki poziom SNR mikrofonów MEMS pozwala je stosować nie tylko w produktach konsumenckich, ale też przemysłowych. W tych warunkach wymagane jest tłumienie szumu tła, a źródło dźwięku często znajduje się w pewnej odległości od mikrofonu. W takim wypadku możliwa jest integracja układu poprawiającego jakość dźwięku w urządzeniu MEMS. Przykładowe zastosowania obejmują konferencje głosowe i wideo oraz systemy alarmowe.

Innym istotnym rodzajem czujników MEMS są akcelerometry, żyroskopy i magnetometry lub kompasy cyfrowe. Akcelerometry MEMS obecnie wypierają konwencjonalne czujniki w systemach antywłamaniowych i chroniących przed wandalami w różnego rodzaju miernikach i panelach. Mechaniczne przełączniki są masywne i nie spełniają wymagań nowoczesnych, miniaturowych urządzeń. Są również narażone na utlenianie i korozję, które uniemożliwiają ich funkcjonowanie. Akcelerometry MEMS są niewrażliwe na tego typu uszkodzenia. W takich zastosowaniach akcelerometr dokonuje pomiaru przyspieszenia w trzech osiach a po przekroczeniu pewnej wartości progowej zgłasza przerwanie, sygnalizując naruszenie struktury.

Okazuje się, że każdy konwencjonalny czujnik wykorzystujący efekt piezoelektryczny, potencjometryczny, LVDT (transformatorowy czujnik przemieszczeń liniowych) lub zmianę oporu magnetycznego można zastąpić mniejszym i bardziej wytrzymałym odpowiednikiem MEMS.

Jednak największe możliwości układów MEMS leżą w układach o wysokim stopniu integracji, projektowanych przez wiodących producentów, takich jak STMicroelectronics.

Firma STMicroelectronics łączy czujniki różnych rodzajów, takich jak akcelerometry i żyroskopy, z cyfrowymi układami przetwarzania sygnału, dzięki czemu powstają zaawansowane układy, które można łatwo podłączyć do mikrokontrolera lub procesora. W ten sposób można zintegrować wiele funkcji w jednym układzie lub też zgrupować różne układy w module.

Oczywiście wyjścia dyskretnego akcelerometru i żyroskopu też można połączyć, aby uzyskać jeden system. Jest to jednak znacznie prostsze w przypadku, gdy oba układy są zintegrowane. W tym celu powstał układ LSM330 firmy STMicroelectronics, sześcioosiowy czujnik ruchu typu system-in-package. Stanowi on połączenie trójosiowego akcelerometru i żyroskopu 3D (układ współrzędnych RPY – mierzy odchylenie (yaw), pochylenie (pitch) i przechylenie(roll). Układ realizuje liczne funkcje przetwarzania sygnałów, które mogą wykorzystać producenci urządzeń:

• Wykrywanie swobodnego spadku
• Orientacja 4D/6D
• Licznik impulsów i rozpoznawanie kroków
• Kliknięcie/podwójne kliknięcie
• Potrząśnięcie/podwójne potrząśnięcie
• Orientację normalną lub odwróconą
• Obrót/podwójny obrót

Czujnik mieści się w obudowie 3 x 5,5 mm i przesyła wyniki za pomocą portu I2C / SPI. Integracja wielu czujników MEMS z układem CMOS pozwala na szybką i prostą implementację zaawansowanych funkcji wykrywania ruchu w projekcie.

Rys. 2. Schemat blokowy przedstawiający funkcjonalność modułu iNEMO-M1 firmy STMicroelectronics

Moduł iNEMO-M1 firmy STMicroelectronics stanowi dalszy stopień integracji, co pokazano na rysunku 2.  Moduł stanowi połączenie trójosiowego żyroskopu L3GD20, sześcioosiowego moduły LSM303DLHC (magnetometru połączonego z trójosiowym akcelerometrem) i mikrokontrolera STM32F103RET ARM Cortex-M3 z wyjściem I2C. W sumie otrzymujemy system inercyjny z 9. stopniami swobody, mieszczący się w module 13 x 13 mm.

Złożone produkty zawierające te układy będą działały pod kontrolą systemu operacyjnego. STMicroelectronics zapewnia natywne wsparcie czujników dla Windows 8, API oraz sterowniki HID, a także platformę opartą na Windows 8. Oprogramowanie dostarczane przez STM obsługuje protokół HID przez magistralę I2C lub USB.

Jedną z zalet integracji czujników MEMS oraz innych układów jest obniżenie poboru mocy. Dzieje się tak, ponieważ wewnętrzny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), magistrala szeregowa i inne zasoby są współdzielone, zatem nie ma potrzeby dodawania ich oddzielnie dla każdego bloku funkcjonalnego czujnika.

Wykorzystanie możliwości zintegrowanych czujników MEMS

Rozwój urządzeń z czujnikami MEMS jest odpowiedzią za zapotrzebowanie ze strony producentów smartfonów i tabletów. Pojawiają się również przykłady innych zastosowań wykrywania ruchu i nawigacji zliczeniowej, które pokazują, że nowe układy umożliwiają nowe rozwiązania.

Jedną z potencjalnych możliwości jest realizacja nawigacji wewnątrz pomieszczeń. Muzeum sztuki współczesnej w Taipei na Tajwanie udostępnia system nawigacji pracujący na smartfonach zwiedzających, który oprowadza ich po budynku. Nawigacja zliczeniowa umożliwia uzyskanie dokładnych współrzędnych bez użycia informacji z satelity (GPS). System w czasie rzeczywistym wyświetla informację o dziełach sztuki, które znajdują się przed użytkownikiem.

Nawigacja zliczeniowa używana przez pieszych w budynkach może być usprawniona za pomocą czujnika ciśnienia MEMS. Przykładowym zastosowaniem może być lokalizacja pacjentów i sprzętów w szpitalach. Czujnik ciśnienia atmosferycznego może precyzyjnie określić wysokość, korzystając ze wzoru

Gdzie:

P – ciśnienie w milibarach

P₀ – ciśnienie w warunkach normalnych na poziomie morza (1013,25 milibarów)

Wysokość – wysokość nad poziomem morza w metrach

Każdy z producentów urządzeń może wymyślić własne pomysły na wykorzystanie precyzyjnej lokalizacji i i określenia wysokości w produktach końcowych. Najważniejszą cechą technologii MEMS jest integracja czujników i cyfrowych układów przetwarzania, która umożliwia zwiększenie funkcjonalności i łatwej współpracy z mikrokontrolerem hosta. Korzystając z modułów MEMS o wysokim stopniu integracji, projektanci mogą dodać nowe funkcje do produktów relatywnie niskim nakładem czasu i funduszy.