Inleiding tot MEMS-versnellingsmeters

Inleiding tot MEMS-versnellingsmeters

MEMS staat voor micro-elektromechanisch systeem en is van toepassing op elke sensor die is vervaardigd met behulp van micro-elektronische fabricagetechnieken. Deze technieken creëren mechanische sensorstructuren van microscopische grootte, meestal op silicium. In combinatie met micro-elektronische circuits kunnen MEMS-sensoren worden gebruikt om fysieke parameters zoals versnelling te meten. In tegenstelling tot ICP® sensoren meten MEMS sensoren frequenties tot 0 Hz (statische of DC versnelling). PCB® produceert twee types MEMS versnellingsmeters: variabele capacitieve en piëzoresistieve. Variabele capacitieve (VC) MEMS versnellingsmeters zijn apparaten met een lager bereik en hoge gevoeligheid die gebruikt worden voor structurele monitoring en constante versnellingsmetingen. Piëzoresistieve (PR) MEMS versnellingsmeters zijn apparaten met een hoger bereik en lage gevoeligheid die gebruikt worden in schok- en ontploffingstoepassingen.

PCB® VC MEMS versnellingsmeters zijn model series 3711, 3713 en 3741. PCB® PR MEMS versnellingsmeters zijn modelreeks 3501, 3503 en 3991.

Structuur van Variabele Capacitieve (VC) Versnellingsmeters

Het detectie-element in MEMS VC versnellingsmeters bestaat uit een microbewerkte proefmassa die tussen twee parallelle platen hangt. De massa hangt aan buigingen die bevestigd zijn aan een ringframe. Deze configuratie vormt twee condensatoren met luchtspleet tussen de proefmassa en de bovenste en onderste platen. Als de testmassa beweegt wanneer er een versnelling wordt toegepast, neemt de ene luchtspleet af en neemt de andere spleet toe, waardoor de capaciteit evenredig met de versnelling verandert.

De bovenste en onderste platen zijn gelamineerd op het detectie-element van de proefmassa met een glasverbinding. Dit creëert een hermetische behuizing voor de proof mass en biedt mechanische isolatie en bescherming.

Een selectie van volledige meetbereiken wordt bereikt door de stijfheid van het ophangsysteem van de testmassa aan te passen. Een hoge eigenfrequentie wordt bereikt door de combinatie van een lichtgewicht testmassa en stijfheid van de ophanging. De stevigheid wordt verbeterd door het gebruik van mechanische stops op de twee buitenste wafers om de beweging van de testmassa te beperken.

De sensorelementen maken gebruik van gasdemping door middel van squeeze-film om hoogfrequente resonantie-input die mechanische verzadiging veroorzaakt te verminderen. Dit treedt op wanneer de beweging van de testmassa de verplaatsingslimieten overschrijdt. Demping helpt verzadiging te voorkomen door resonantieversterking te verminderen en verlengt het vlakke deel van de frequentierespons. Gasdemping wordt minimaal beïnvloed door temperatuurveranderingen.

Het detectie-element is als een brugcircuit verbonden met de rest van de elektronica in de versnellingsmeter. Dit minimaliseert common mode fouten en verbetert de lineariteit. Alle PCB® VC versnellingsmeters bevatten een conditioneringscircuit dat zorgt voor een hooggevoelige uitgang. Dit geïntegreerde circuit compenseert ook voor zero bias en gevoeligheidsfouten over temperatuur. Zie figuur 1 voor de constructie van MEMS VC versnellingsopnemers. De sensorelementen zijn meestal gemonteerd op een printplaat die in titanium of aluminium behuizingen is geplaatst.



Figuur 1. Constructie van MEMS variabele capacitieve DC-versnellingsopnemer

Functie en werking van MEMS VC versnellingsmeter

Om te kunnen profiteren van de DC-respons van MEMS versnellingsmeters met VC moet het uitleesapparaat DC gekoppeld zijn. Als een signaalomvormer gebruikt wordt voor de voeding moet deze ook DC gekoppeld zijn. Raadpleeg de betreffende fabrikant of producthandleiding voor specifieke details. Aangezien de meeste PCB® VC MEMS versnellingsmeters een ingebouwde spanningsregelaar bevatten, kunnen ze ook gevoed worden vanuit elke 6 tot 28 VDC voedingsbron zonder de prestaties nadelig te beïnvloeden. Raadpleeg de producthandleidingen van de individuele modellen voor aanvullende voedingsdetails.

Omdat VC MEMS versnellingsmeters statische (constante) versnelling kunnen meten, wordt de DC offsetspanning beïnvloed door de positionele uitlijning ten opzichte van de zwaartekracht van de aarde. Als de gevoelige as van de versnellingsmeter niet is uitgelijnd met de zwaartekracht, zal de uitgang gelijk zijn aan de nul-g-offsetspanning op het PCB® kalibratiecertificaat. Als de gevoelige as van de versnellingsmeter uitgelijnd is met de zwaartekracht, is de uitgang gelijk aan de biasspanning plus 1 g uitgangsspanning. Figuren 2 en 3 tonen voorbeelden van sensororiëntatie.



Figuur 2. Sensor/gevoelige as niet uitgelijnd met de zwaartekracht (nul-g-uitvoerconditie)



Figuur 3. Sensor/gevoelige as gemonteerd in +1g uitgangstoestand ten opzichte van de zwaartekracht van de aarde

De elektronica in VC MEMS-sensoren bevat een spanningsregelaar. Hierdoor kan de sensor gevoed worden door een ongeregelde gelijkspanningsbron. PCB® biedt signaalomvormermodellen 482C27 (4 kanalen) en 483C28 (8 kanalen) als VC MEMS voedingsbronnen. Andere acceptabele voedingsbronnen zijn auto- of scheepsaccu's, DC-voedingen voor laboratoria en laagspanningsvoedingen voor printplaten.

De afscherming van de kabel moet aan één uiteinde afgesloten worden om aardlussen te voorkomen. Gewoonlijk wordt de afscherming van de kabel aan de sensorbehuizing vastgemaakt. Als de sensor gemonteerd is met een isolator (of een andere vorm van elektrische isolatie) die hem scheidt van de testconstructie, dan kan de afscherming aan de signaalomvormer of data-acquisitiezijde worden verbonden met signaalaarde. Anders moet de kabelafscherming zwevend worden gelaten (niet aangesloten) aan de instrumentatiezijde.

Verificatie MEMS VC-versnellingsmeter

Aangezien deze versnellingsmeters bedoeld zijn voor gebruik in kritische meettoepassingen, dient de gevoeligheid gecontroleerd te worden om er zeker van te zijn dat deze binnen de specificaties valt. Een nauwkeurige statische kalibratie kan worden uitgevoerd met de zwaartekracht van de aarde als versnellingsreferentie. Plaats de versnellingsmeter eerst in een +1g oriëntatie zodat de basis op het montageoppervlak rust en het modelnummer naar boven wijst (afbeelding 3). De versnellingsmeter ervaart een versnelling van +1 g in deze oriëntatie. Registreer de DC uitgangsspanning met een DVM. Keer de sensor om door hem 180° te draaien. Plaats de bovenkant op het montageoppervlak met het modelnummer naar beneden (Afbeelding 4). De sensor ondervindt een versnelling van -1g. Registreer de DC uitgangsspanning. Gebruik de vergelijking om de gevoeligheid van de versnellingsmeter te berekenen:

Gevoeligheid = [(+1g) - (-1g)] / 2





Figuur 4. Sensor/gevoelige as gemonteerd in -1g-uitgangstoestand ten opzichte van de zwaartekracht van de aarde

Structuur van piëzoresistieve (PR) versnellingsmeters

De sensorelementen in PR-versnellingsmeters bestaan uit buigingen op een middelste wafer tussen een bovenste en onderste wafer (figuur 5). Het buigen van deze buigingen veroorzaakt een meetbare verandering in weerstand die evenredig is met de toegepaste versnelling. Door de stijfheid van de buigingen of de seismische massa aan te passen kan een selectie van volledige meetbereiken worden bereikt.

De bovenste en onderste wafer zijn gelamineerd op een middelste wafer met behulp van een glasverbinding. Dit biedt een hermetische afsluiting voor de buigingen en mechanische stops voor bescherming tegen te grote bereiken. Gasdemping verlaagt de resonantieversterking wanneer PR-versnellingsmeters worden gebruikt in toepassingen met hoge schokken. Demping vermindert de respons op hoogfrequente energie. Er wordt lucht gebruikt in plaats van een vloeistof om de thermische effecten op de demping te beperken.





Figuur 5. Constructie van MEMS piëzoresistieve DC-versnellingsopnemer

De sensorelementen zijn gerangschikt in een volledig actieve Wheatstone-brugconfiguratie. Een volledig actieve brug (figuur 6) gebruikt twee weerstanden die toenemen met de ingangsversnelling of -kracht, en twee die afnemen. Deze worden respectievelijk spannings- en compressiemeter genoemd. Het spanningsverschil van deze uitgangslijnen is evenredig met de toegepaste excitatiespanning. De spanning die tijdens de toepassing wordt gebruikt, moet dezelfde zijn als die tijdens het kalibratieproces.



Afbeelding 6. Brug van Wheatstone

De sensorelementen worden meestal gemonteerd op printplaten die in titanium of aluminium behuizingen worden geplaatst. Er zijn ook opbouwpakketten verkrijgbaar. Opbouw MEMS-sensoren worden meestal met soldeer of epoxy bevestigd op het volgende assemblageniveau. Figuren 7, 8 en 9 zijn voorbeelden van verpakkingsstijlen.



Afbeelding 7. PR MEMS-sensoren in titanium behuizing

Afbeelding 8. Afbeelding 8. PR MEMS-sensor in aluminium behuizing

Afbeelding 9. Opbouw PR-versnellingsopnemer verpakt in loodvrije chipdrager

Functie en werking MEMS PR-versnellingsmeter

Om te profiteren van de DC-respons van MEMS versnellingsmeters moet het uitleesapparaat DC gekoppeld zijn. Als voor de voeding een signaalomvormer wordt gebruikt, dient deze ook DC gekoppeld te zijn. Raadpleeg de betreffende fabrikant of producthandleiding voor specifieke details. PR versnellingsmeters moeten gevoed worden met een geregelde spanningsbron omdat de gevoeligheid evenredig is met de excitatiespanning. Aanbevolen wordt om de op het kalibratiecertificaat vermelde excitatiespanning te gebruiken om de gekalibreerde gevoeligheidswaarde te verkrijgen. Raadpleeg de individuele producthandleidingen voor meer informatie over de voeding. PCB® signaalomvormers model 482C27 en 482C28 kunnen gebruikt worden om piëzoresistieve MEMS sensoren te voeden.

De meeste PR MEMS versnellingsmeters in titaniumverpakking worden geleverd met een integrale kabel die aan de sensorelementen is bevestigd. Het uiteinde is voorzien van een pigtail en klaar voor aansluiting op een brugconditioner (Afbeelding 10). De aarddraad en de kabelafscherming moeten op de juiste manier worden aangesloten aan het instrumentatieuiteinde om aardlussen te voorkomen. Interne isolatoren houden het meetelement elektrisch geïsoleerd van de behuizing en de montagestructuur.





Afbeelding 10. PR MEMS versnellingsopnemer met geïntegreerde kabel en pigtail-afsluiting

Verificatie van MEMS PR-versnellingsopnemer

MEMS PR versnellingsmeters zijn bedoeld voor gebruik in kritische meettoepassingen. De gezondheid van de sensor wordt gecontroleerd door de offsetspanning aan de uitgang en de brugweerstand te controleren.

Sluit de +Exc en -Exc kabels aan op een geschikte voeding om de uitgangs-offsetspanning te controleren. Sluit de +Sig- en -Sig-kabels aan op een voltmeter die is ingesteld om VDC af te lezen. Monteer de sensor in een +1g oriëntatie zodat hij stevig op een plat, vlak en stabiel oppervlak rust. Meet de differentiële spanningsoutput van de sensor. Controleer de gemeten offsetspanning op het kalibratiecertificaat.

Om de brugweerstand te controleren gebruik je een ohmmeter of stel je een digitale multimeter in om ohms te meten. Leg de sensor op een vlak en horizontaal oppervlak. Voor deze test hoef je geen spanning aan te leggen. De ingangsweerstand wordt gemeten tussen de +Exc en -Exc draden. De uitgangsweerstand wordt gemeten tussen de +Sig en -Sig draden. Raadpleeg het kalibratiecertificaat voor controle van de gemeten weerstandswaarden.

Vergelijking
Variabele capacitieve MEMS DC-versnellingen voor lage G-toepassingen Piëzoresistieve MEMS DC-versnellingen voor toepassingen met hoge G
Sensortechnologie -Gemicromachineerde capacitieve elementen
-Titanium of aluminium behuizingen		 -Gemicromachineerde resistieve elementen
-Titanium of aluminium behuizingen
-Oppervlaktemontage pakketten beschikbaar
PCB® modelreeks 3711 - Structurele bewaking, bestuurbaarheid, testen van grondtrillingen
3713 - Structurele bewaking, rijeigenschappen, trillingstesten op de grond
3741 - Structurele bewaking, rijeigenschappen, trillingstesten op de grond
3743 - Structurele bewaking, rijeigenschappen, trillingstest op de grond		 3501 - Hoge G schok/straal
3503 - Hoge G druk/schok
3991 - Hoge G schok/belastbaarheid

Klik voor meer informatie over DC-respons versnellingsmeters, serie 3711/3713/3741/3743.

Klik voor meer informatie over piëzoresistieve schokversnellingsmeters, serie 3501/3503/3991.