Kiedy prześledzimy historię techniki w ciągu ubiegłych kilkudziesięciu lat, możemy dostrzec, że bardzo często inżynierowie pracowali (i po dziś dzień pracują) nad rozwiązaniami, które mają na celu zwiększyć niezawodność różnych maszyn i urządzeń. Przykładem jest chociażby zastąpienie w motoryzacji mechanicznego przerywacza zapłonu bezstykowym kluczem tranzystorowym. Jednak to wcale nie oznacza, że obecność ruchomych elementów mechanicznych oznacza same kłopoty eksploatacyjne. Dowodem na tę tezę, są czujniki akcelerometryczne wykonane w technologii MEMS, która łączy w sobie najlepsze zdobycze mechaniki i elektroniki w mikroskopijnym wydaniu!
Co mierzy akcelerometr MEMS?
Akcelerometr jest obok żyroskopu i magnetometru jednym z głównych przykładów czujników, które współcześnie są projektowane w technologii MEMS (ang. Micro-Electro-Mechanical-Sensor). Zadaniem akcelerometru jest pomiar przyspieszenia liniowego w trzech wymiarach przestrzennego układu współrzędnych (X, Y, Z) lub w osi pojedynczej w celu wykonania pomiaru przyspieszenia w dowolnie obranym kierunku poruszania się obiektu (np. pojazdu jeżdżącego). Na podstawie uzyskanych pomiarów przyspieszenia, prędkości i czasu, możemy obliczyć przemieszczenie obiektu. Choć przyspieszenie Ziemi jest stałe przy pomiarze w pojedynczej osi, to pomiar przyspieszenia wykonany w trzech osiach układu współrzędnych w zależności od kąta nachylenia przyrządu może wykazywać niezerowe wartości składowych przyspieszenia ziemskiego dla dwóch pozostałych osi układu współrzędnych.
Akcelerometr MEMS – budowa i zasada działania
Zasada działania akcelerometru wykonanego w technologii MEMS polega na pomiarze przyspieszenia w odniesieniu do zmian pojemności elektrycznej w swojej mikrostrukturze. Ustrój pomiarowy akcelerometru MEMS składa się z organu ruchomego i nieruchomego. Ruch organu ruchomego względem nieruchomego odbywa się za sprawą wprawienia jego masy w ruch drgający. Sposób działania mikrostruktury akcelerometru MEMS przypomina kondensator o zmiennej pojemności, której wartość zmienia się w zależności od położenia organu ruchomego względem organu nieruchomego czujnika – elementy tworzące strukturę elektromechaniczną akcelerometru są w istocie okładzinami kondensatora – kiedy odległość pomiędzy poszczególnymi segmentami ulega zmniejszeniu – rośnie pojemność elektryczna, a przy zwiększaniu tych odległości – pojemność elektryczna spada. W rezultacie na wyjściu akcelerometru otrzymujemy zmiany napięcia elektrycznego, które są proporcjonalne do przyspieszenia mierzonego przez akcelerometr. Napięcie na wyjściu akcelerometru zmienia się w sposób ciągły – jest to sygnał analogowy, który możemy wprowadzić na wejście przetwornika ADC w mikrokontrolerze. W zależności od specyfiki docelowej aplikacji, należy zwrócić uwagę na maksymalny zakres pomiarowy akcelerometru – dla pomiaru przyspieszenia ziemskiego, wystarczy akcelerometr o zakresie wynoszącym dwukrotność tego przyspieszenia, ale jeśli chcemy zainstalować akcelerometr w miniaturowej rakiecie kosmicznej – tu już zdecydowanie przyda się ośmiokrotnie większy zakres pomiarowy. Dokładność pomiaru jest także uwarunkowana rozdzielczością bitową przetwornika ADC i częstotliwością roboczą układu próbkująco-pamiętającego. Należy także mieć na uwadze, że zakres napięć zasilania akcelerometru musi być zgodny z napięciem zasilania mikrokontrolera współpracującego z akcelerometrem.
