Silicium structuren als basis voor acceleratie sensoren en inclinometers.

Inleiding:
Acceleratie- en hellingssensoren zijn al geruime tijd op de markt en het aantal toepassingen groeit gestaag. Was het voorheen slechts een kwestie van het detecteren van beweging of het controleren van de horizontaal stand, tegenwoordig wil men nauwkeurig weten wat er in een systeem gebeurt. Door de toenemende vraag naar verbetering en optimalisering van machines en besturingen, worden schakelaars steeds meer verdrongen door sensoren. Een belangrijke factor daarbij is de toepassing van moderne halfgeleider materialen, waardoor de afmetingen steeds kleiner worden en kosten van deze sensoren sterk zijn gedaald. Toepassingen van bepaalde materialen in producten binnen het domein van de industriële elektronica, zoals bijvoorbeeld kwik, wordt door de wet verboden, zodat ook om deze reden naar andere oplossingen moet worden gezocht. MEMS-technieken zijn sterk in opkomst vanwege de hoge gevoeligheid, de grote nauwkeurigheid, de kleine afmetingen en de grote mate van betrouwbaarheid. Basis voor deze opnemers vormt silicium, wat als materiaal een bijzonder hoge elasticiteitsgrens heeft en nagenoeg geen materiaalmoeheid kent.

Technieken:
Sensoren in silicium worden veelal onder de naam ' Micro Electro Mechanical Systems' , ofwel kortweg MEMS, aangeduid. En over dat micro kunnen we duidelijk zijn: het betreft hier veelal elementen met afmetingen van slechts enkele kubieke millimeters. Bij de productie hiervan wordt gebruik gemaakt van etstechnieken, waardoor silicium kan worden bewerkt en diverse structuren kunnen worden gerealiseerd (micromechanica of 'micro-machining' genoemd). Vaak wordt hierbij toegewerkt naar capacitieve eigenschappen, waarbij onderscheid kan worden gemaakt in Surface-Micromachining en 3-D Micromachining.

Afbeelding 1: detail van een MEMS-struktuur (werkelijke afmeting bedraagt circa 1mm³)

Bij het eerste proces wordt van een silicium chip het oppervlak bewerkt en worden er een soort van capaciteitsvelden in de vorm van beweegbare vingers gecreëerd. Door invloed van massatraagheid of inwerking van de gravitatiekracht veranderen de onderlinge capaciteiten en dit zorgt feitelijk voor het omzetten van een signaal vanuit het fysische naar het elektrische domein. Het voordeel van dit principe is, dat de verwerkingselektronica, benodigd om deze capaciteitsverschillen om te zetten in een bruikbare spanning of digitaal signaal, in dezelfde chip geïntegreerd kan worden.

Afbeelding 2: Surface-micromachined sensorelement met geïntegreerde signaalconditioneringselektronica.

In tegenstelling tot het voorgaande principe, wordt bij 3D Micromachining door VTI Technologies gebruik gemaakt van herkenbare ruimtelijke structuren. Hierbij wordt het feitelijke sensor element opgebouwd uit drie lagen silicium (wafers) en onderling geïsoleerd door glas, waarvan de middelste wafer wordt bewerkt. Hierbij worden zeer kleine massa's gecreëerd, die, grofstoffelijk voorgesteld, door middel van een verende constructie slechts aan één zijde van een frame vast zitten.

Afbeelding 3: Constructie van 3D micromachined capacitieve sensor elementen op wafer niveau.

Deze massa's kunnen dus in één bepaalde richting bewegen. Door deze constructie hebben we nu te maken met een serieschakeling van twee condensatoren, waarvan de gemeenschappelijke plaat kan bewegen. Na dit proces worden de afzonderlijke sensorelementen van elkaar gescheiden en gekoppeld aan de verwerkingselektronica. De symmetrische opbouw biedt de mogelijkheid van het differentieel uitlezen van het sensorelement, waardoor stabiliteit en nauwkeurigheid beter kunnen worden gewaarborgd. De complementaire elektronica bij deze techniek wordt in een aparte chip (ASIC) gerealiseerd.

Afbeelding 4: combinatie van een 3D-micromachined MEMS-opneemelement met apart signaalconditioneringscircuit.

Accelerometers die op basis van MEMS-technieken zijn geproduceerd, bieden diverse variaties in elektrische specificaties. Bijvoorbeeld worden gevoeligheid, frequentiebereik, uitgangssignaal en meetrichting bepaald door de verschillende productfamilies. Bij de productie van surface-micromachined uitvoeringen dienen eventuele wijzigingen in de specificaties van de sensor op wafer-niveau te worden gerealiseerd, wat een gecompliceerde en kostbare procedure is. Diverse maskers in het silicium-bewerkingsproces moeten worden aangepast. Voordeel van dit type sensoren is wel, dat er standaard in twee richtingen gemeten kan worden en dat de afmetingen toch zeer klein zijn.

Bij het dualitische 3D micromachined concept, waarbij sensor element en bijbehorende verwerkingselektronica gescheiden zijn, kunnen op redelijk eenvoudige wijze aanpassingen worden uitgevoerd door een keuze te maken uit diverse beschikbare capacitieve opneemelementen en de daarbij benodigde instellingen in de programmeerbare instrumentatieversterker van de ASIC te verwerken. Afregeling van bijvoorbeeld offset en gain worden zo door de fabrikant elektronisch vastgelegd. Bij het meten in twee richtingen (x- en y-as of x- en z-as) worden in een zelfde behuizing twee opneem elementen onder een hoek van 90 graden t.o.v. elkaar geplaatst en de signalen wederom in de ASIC geconditioneerd. Voor het meten in drie assen is een nieuw sensor element ontwikkeld, waarin drie seismische massa's onder een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar zijn geïntegreerd. Door middel van een algorithme in de ASIC worden hiermee nauwkeurig en volledig symmetrisch de x-, y- en z-as berekend.

Bijzondere toepassingen
Dat beide typen versnellingsopnemers als inclinometers kunnen worden gebruikt, zal duidelijk zijn: door het sensorelement te kantelen, zal de invloed van de gravitatiekracht op de beweegbare massa (sinusvormig) veranderen. Praktisch betekent dit, dat met een 1G versnellingsopnemer dus hoeken tot 360 graden opgenomen kunnen worden, waarbij echter de nauwkeurigheid varieert met de hoek ten opzichte van de horizontaal stand. Rondom de horizontale stand is de nauwkeurigheid maximaal en het uitgangssignaal als lineair te beschouwen. Ook wordt gebruik gemaakt van dit effect om het scrollen in mobiele apparatuur te activeren. De gebruikelijke mechanische joy-stick kan hierbij vervallen en wordt hiermee dus vervangen door een solid-state oplossing.

Om een grotere gevoeligheid over een kleiner bereik te realiseren, kan men de versterking opvoeren, maar daarmee neemt de invloed van fouten toe. In dit geval is het beter om een element met een gevoeligheid van 0,5G volle schaal toe te passen, hetgeen natuurlijk hogere eisen stelt aan het productieproces.

Bij de 3D micromachined sensoren van VTI Technologies worden, door de symmetrische constructie van de opneem elementen, meetafwijkingen ten gevolge van temperatuur of mechanische stress reeds aanzienlijk gereduceerd. Daarnaast wordt nauwkeurigheid mede bepaald door de signaalbewerking in de ASIC. Door het toepassen van twee opneemelementen in dezelfde richting worden sommige prestaties, zoals ruisgedrag en lange termijn stabiliteit, nog verder verbeterd. Als de beide signalen met behulp van een differentiële versterker worden uitgelezen, zal het uitgangssignaal worden verdubbeld, terwijl Common-Mode fouten in het uitgangssignaal hiermee worden gereduceerd (zie afbeelding 3). Dit principe wordt 'Error Cancellation' genoemd en wordt toegepast in de nauwkeurige inclinometers (VTI Technologies. )

Afbeelding 5: hogere nauwkeurigheid door toepassing van 'error cancellation' techniek

Nieuw:  Chip-on-Mems (COM)

Onlangs heeft VTI Technologies een geheel nieuwe techniek aangekondigd: 'Chip on MEMS'. Hierbij wordt het signaal conditionerings circuit direct op het sensorelement aangebracht, waardoor interconnectie niet meer door bonddraden hoeft te worden gerealiseerd en de afmetingen aanzienlijk gereduceerd kunnen worden (2 x 2 x 0,9 mm). Bovendien is door de keuze van een nieuw type ASIC het stroomverbruik aanzienlijk gereduceerd.
 (klik voor een uitvoerige toelichting op   http://www.censelect.nl/page0041.aspx)

Conclusie
Het gebruik van de moderne MEMS-technieken biedt een uitstekende oplossing voor het meten van versnelling of bepalen van een hellingshoek ten opzichte van de gravitatiekracht. Surface-micromachined uitvoeringen zijn elektronisch gezien compleet en relatief goedkoop zolang men van de leverbare versies gebruik kan maken, maar worden kostbaar in het geval van modificatie of de behoefte aan een klant-specifieke uitvoering. Ook is de onderlinge spreiding van dit type sensoren relatief groot. Ter compensatie wordt veelal gebruik gemaakt van een externe schakeling om toch aan bepaalde gewenste elektrische eigenschappen te kunnen voldoen.

De 3D micromachined uitvoeringen zijn daarentegen groter van afmeting, maar kunnen in aanzienlijk meer uitvoeringen geleverd worden, waarbij frequentie respons (demping) en uitgangsconfiguratie veel eenvoudiger zijn te configureren.. Bovendien is de constructie van dit type sensoren zodanig robuust, dat zelfs bij een gevoeligheid van 0,5G volle schaal een schokbestendigheid van ruim 20.000 G wordt gegarandeerd. Door gebruik te maken van het 'Error Cancellation'-principe kan een betere nauwkeurigheid en stabiliteit worden gerealiseerd.

In mobiele applicaties zal een los capacitief 3D Micromachined opneem element in overweging genomen kunnen worden. Door gebruik te maken van aparte ultra low-power componenten kan, in het geval van batterij of accu voeding, een langere gebruikstermijn per lading van een apparaat worden bereikt. Ook de nieuwe COM-techniek kan voor Low-Power applicaties een prima oplossing bieden. Tevens resulteert de hoge schokbestendigheid van dit type sensoren in lagere kans op defecten.