wersja mobilna
Online: 701 Sobota, 2016.12.03

Technika

Czujniki czynników środowiskowych MEMS - coraz mniejsze, coraz dokładniejsze

wtorek, 29 marca 2016 13:19

Czujniki czynników środowiskowych takich jak ciśnienie, temperatura, wilgotność, są podstawą wielu aplikacji elektroniki. Wraz z popularyzacją technologii MEMS w ostatnich latach na rynku pojawia się coraz więcej takich sensorów, o zaskakująco dobrych parametrach, uniwersalności i prostocie wykorzystania. W artykule prezentujemy krótkie charakterystyki trzech takich czujników firmy ST Microelectronics.

UVIS25

Rys. 1. Obudowa czujnika UVIS25 i schemat blokowy

UVIS25 to nowoczesny cyfrowy czujnik promieniowania UV zapewniający dokładny pomiar współczynnika UVI (ultraviolet radiation index), a więc umożliwiający określenie stopnia oddziaływania promieniowania świetlnego na skórę człowieka. W jednym układzie umieszczono sensor oraz układ ASIC dokonujący kondycjonowania sygnału analogowego, przetwarzania analogowo-cyfrowego oraz obróbki danych cyfrowych i korekcji wyniku tak, aby zapewnić dużą dokładność. Na wyjściu układu za pomocą interfejsu szeregowego I²C lub SPI dostępna jest wartość UVI z zakresu 0...15.

Podstawowym obszarem aplikacyjnym czujnika są przenośne mierniki osobiste pozwalające na pomiar i wyznaczenie bezpiecznego czasu przebywania na słońcu, niemniej można je wykorzystać także do stworzenia aparatury kontrolnej pozwalającej na kontrolę jakości lamp rtęciowych w solariach, do sprawdzania jakości działania urządzeń sterylizacyjnych bazujących na lampach UV wykorzystywanych w medycynie i przemyśle.

Atutem czujnika jest wysoka skala integracji, dająca kompletne rozwiązanie pomiarowe w jednym chipie, wysoka dokładność i brak konieczności użycia dodatkowych algorytmów przeliczeniowych lub kalibracji - na wyjściu układu dostępny jest gotowy wynik w postaci znormalizowanej.

Układ może pracować w konfiguracji, w której po przekroczeniu zadanego progu generowane jest przerwanie. Przerwanie może pojawiać się także cyklicznie, gdy zakończony zostanie cykl pomiarowy i w rejestrze wyjściowym będzie znajdował się gotowy do pobrania wynik. Współpracę ze sprzętem zasilanym z baterii ułatwiają tryby ograniczonej aktywności o niższym poborze mocy.

Układ UVIS25 jest dostępny w 10-końcówkowej obudowie LGA o wymiarach (2,5×2,5×0,76 mm) i pracuje w zakresie temperatur pracy od -20 do +85°C. Obudowa zawiera okienko przezroczyste dla mierzonego zakresu widma, dzięki czemu zapewniona została wysoka odporność czujnika na niekorzystne warunki środowiskowe.

UVIS25 jest zasilany napięciem od 1,7 do 3,6 V, dzięki czemu może być bezpośrednio dołączany do mikrokontrolerów. Zapewnia pomiar indeksu UVI w zakresie 0-15 w trybie ciągłym z częstotliwością wykonywania pomiarów 1 Hz ODR lub na żądanie po wyzwoleniu. Rozdzielczość pomiarów wynosi 1/16 UVI, dzięki czemu możliwa jest prezentacja wyniku z jedną cyfrą po przecinku. Prąd zasilania czujnika przy ciągłych pomiarach 1/s wynosi tylko 10 µA, w trybie power down obniża się do 1,8 µA.

Czułość spektralna czujnika wynika z norm pomiaru współczynnika UVI i zawiera się między 200 a 400 nm. Pokrywa to oba zakresy UV-A (315-400 nm) i UV-B (280-315 nm), które mają najbardziej szkodliwy wpływ na skórę. Cena UVIS25 została ustalona na 1,7 dol. przy zamówieniu 1000 sztuk.

UVI to międzynarodowy standard pomiaru promieniowania ultrafioletowego emitowanego przez Słońce danego dnia, w określonym miejscu. Podawany najczęściej w prognozach pogody, ma na celu pomagać ludziom w ochronie zdrowia, gdyż silne promieniowanie UV (wysoki wskaźnik indeksu UV) może powodować uszkodzenia organizmu, m.in. oparzenia słoneczne, zaćmę, mutacje w DNA, a nawet przyczynić się do powstania raka skóry. Skala Indeksu UV zawiera się między 0 a 16, jednak, zarówno w Polsce, jak i na prawie całym świecie, nie spotyka się wartości większych niż 11.

HTS221

Rys. 2. Schemat blokowy czujnika HTS221 i jego obudowa

HTS221 jest miniaturowym czujnikiem wilgotności i temperatury. Podobnie jak poprzednio opisany element, układ zawiera sensory, układ kondycjonowania sygnału analogowego, 16-bitowy przetwornik A/C i obwody cyfrowe przetwarzające sygnał. Zmierzone dane są wysyłane do zarządzającego pracą sensora mikrokontrolera przez interfejs I²C lub SPI.

Czujnik umieszczony został w niewielkiej 6-pinowej obudowie HLGA-6L o wymiarach 2×2×0,9 mm z kontaktami. Napięcie zasilające zawiera się w przedziale 1,7-3,6 V, a pobór prądu w trybie pracy cyklicznej z częstotliwością cyklu 1/s wynosi tylko 2 µA. Maksymalna szybkość pomiarów jest wysoka i sięga 12,5 Hz. Czujnik pracuje w przedziale temperatur od -40 do +120°C.

Do pomiaru wilgotności ST Microelectronics zastosował zintegrowany płaski kondensator wykonany z polimeru, który zapewnia szeroki zakres pomiarowy wynoszący 0-100% rH, przy dużej dokładności pomiaru, która w najbardziej typowym zakresie pomiarowym 20-80% rH wynosi ±3,5% (w zakresie 0-100% rH nie przekracza ±5% rH). Typowy czas odpowiedzi na zmianę wilgotności nie przekracza 10 s.

Uwagę zwraca wysoka rozdzielczość czujnika wynosząca 0,004% rH/LSB (lub 256 LSB/rH) i dokładność ±3,5% rH, w przedziale od 20 do +80% rH, pozwalająca wykorzystać go w aplikacjach profesjonalnych do kontroli klimatu (szklarnie, medycyna, przemysł spożywczy, systemy HVAC). Dokładność pomiaru temperatury wynosi ±0,5°C, w zakresie od 15 do +40°C, a w zakresie 0...60°C ±1%. Rozdzielczość pomiaru temperatury to 0,016°C/LSB lub 64 LSB/°C.

Warto dodać, że czujnik jest fabrycznie kalibrowany i nie wymaga od użytkownika żadnego wsparcia (linearyzacji, kompensacji off-setu lub nieliniowości). Upraszcza to aplikację i zwiększa użyteczność tego rozwiązania w porównaniu do analogicznych rozwiązań budowanych z elementów dyskretnych.

LPS25HB

Rys. 3. Schemat blokowy czujnika ciśnienia LPS25HB

LPS25HB to czujnik ciśnienia absolutnego z sensorem wykonanym w postaci mostka z piezorezystorami połączonego z membraną, który pracuje jako barometr mierząc ciśnienie atmosferyczne. Podobnie jak poprzednie elementy tutaj także w obudowie zawarto sensor, układ kondycjonowania, ASIC z interfejsami I²C lub SPI za pomocą których wysyłany jest do mikrokontrolera wynik pomiaru w postaci 24-bitowej. Czujnik umieszczono w małej obudowie LGA o 10 pinach i otworem zapewniającym dostęp powietrza do sensora. Pracuje on w zakresie temperatur od -30 do +105°C (ma wewnętrzną kompensację temperatury).

Zakres pomiarowy wynosi od 260 do 1260 hPa z rozdzielczością 0,01 hPa RMS. Czujnik pozwala na przeciążenie bez uszkodzenia do 20x nominalnej wartości maksymalnej bez uszkodzenia.

Czujnik może wykonywać pomiary ciągłe (1-25 Hz) wyzwalając przerwanie, też może wykrywać przekroczenie ustalonego poziomu ciśnienia. Element jest zasilany napięciem 1,7-3,6 V i pobiera 4 µA prądu w trybie niskiej dokładności pomiaru i 4,5µA w dużej rozdzielczości.

W ofercie ST jest też czujnik o oznaczeniu LPS22HB o podobnej charakterystyce, ale działający w zakresie -40 do +85°C i dokonujący pomiarów z 16-bitową rozdzielczością.