Żyroskopy i akcelerometry MEMS w elektronice użytkowej

Rys. 1. Umieszczenie głowicy odczytująco-zapisującej w uchwycie zapobiega jej niekontrolowanym uderzeniom o powierzchnię dysku twardego

Początkowo, w latach 90. ubiegłego wieku akcelerometry MEMS instalowano głównie jako sensory zderzenia w układach wyzwalania samochodowych poduszek powietrznych. Wkrótce jednak akcelerometry oraz żyroskopy MEMS podbiły rynek elektroniki użytkowej, wyróżniając się na tle innych czujników niewielkim rozmiarem, umożliwiającym montaż w ograniczonej przestrzeni.

Dzięki temu dziś znaleźć je można w większości urządzeń, bez których nie wyobrażamy sobie codziennego życia, takich jak telefony komórkowe, aparaty fotograficzne, w konsolach do gier oraz w urządzeniach medycznych, a nawet w sprzęcie sportowym. Wykorzystując informacje z czujników MEMS, w urządzeniach tych realizuje się szereg użytecznych funkcji. Jako przykład podać można tzw. optyczną stabilizację obrazu (Optical Image Stabilization, OIS). Jest to technika redukcji zniekształceń wywołanych poruszeniem aparatu w trakcie rejestracji obrazu.

Drżące ręce i upadki

Rys. 2. Schemat ideowy akcelerometru z masą bezwładną

Ręka człowieka drży mimowolnie z określoną częstotliwością (od 10 do 20Hz), a nowoczesne aparaty fotograficzne i kamery niejako wzmacniają ten efekt paradoksalnie dlatego, że są coraz mniejsze i coraz lżejsze, przez co nawet wykwalifikowany fotograf nie jest w stanie utrzymać tych urządzeń w całkowitym bezruchu. Dlatego w układach optycznej stabilizacji instaluje się czujniki przemieszczenia, które mierzą ruch kamery, a dane o przesunięciu przesyłają do mikrokontrolera.

Na podstawie tych informacji mikroprocesor steruje małymi liniowymi silnikami regulującymi położenie przetwornika obrazu lub soczewek w taki sposób, by skompensować niepożądane ruchy kamery. Dodatkowo często stosuje się też tzw. elektroniczną stabilizację obrazu (Electronic Image Stabilization, EIS). Jest ona wykorzystywana głównie do redukcji problemów występujących w czasie rejestracji sekwencji wideo, gdy efekt "drżącej ręki" przenosi się między kolejnymi klatkami wideo.

By zjawisko to zmniejszyć, sygnał z czujników przemieszczenia jest przetwarzany w specjalnym oprogramowaniu, które odpowiednio koryguje wyświetlane obrazy. Innym przykładem są zabezpieczenia dysków twardych, które chronią przed skutkami upadku i utratą danych. Ponieważ większe niebezpieczeństwo straty zapisanych informacji istnieje, gdy trwa zapis lub odczyt danych, niż wtedy gdy zasilanie jest odłączone, najlepszym sposobem na zminimalizowanie skutków upadku jest zatrzymanie dysku. W takim wypadku głowica odczytująco-zapisująca jest umieszczana w specjalnym uchwycie (rys. 1), co zapobiega jej niekontrolowanym uderzeniom o powierzchnię dysku.

Sport i rozrywka

Rys. 3. Schemat blokowy ADXL330, układu do pomiaru przyspieszeń w trzech kierunkach produkcji Analog Devices

Rozwój technologii czujników ruchu MEMS miał też pozytywny wpływ na gry w telefonach komórkowych. Ich klawiatury mają stosunkowo niewielkie rozmiary, a ich klawisze są zlokalizowane na tyle blisko, że użytkownicy się zniechęcali. Alternatywa dla korzystania z klawiatury pojawiła się dopiero wraz z wprowadzeniem na rynek modeli telefonów z funkcją detekcji ruchu. Wówczas zaproponowano, by do sterowania grą używać np. informacji o zmianie nachylenia aparatu, co skutkowało powstaniem szeregu aplikacji dopuszczających taką możliwość.

Innym przykładem są tzw. pedometry, czyli przyrządy do zliczania wykonanych kroków przydatne w kontroli przebiegu ćwiczeń fizycznych. Dzięki czujnikom MEMS, które jednocześnie mogą wyznaczać parametry ruchu w trzech kierunkach, możliwe stało się umieszczanie krokomierzy w dowolnej orientacji i na dowolnej części ciała. Zaowocowało to wprowadzeniem rozwiązań wygodniejszych dla użytkownika i instalacją krokomierzy np. w odtwarzaczach MP3 oraz telefonach komórkowych. W omówionych przykładach, a także wszędzie tam, gdzie przetwarza się informację o ruchu obiektu, wykorzystuje się głównie akcelerometry i żyroskopy, często nawet w jednej aplikacji instalując oba typy sensorów.

Akcelerometry

Rys. 4. Gdy osie x lub y ekranu urządzenia pokrywają się z wektorem grawitacji, na postawie informacji z akcelerometru można określić orientację wyświetlacza

Akcelerometry MEMS są używane w pomiarach statycznego przyspieszenia grawitacyjnego pozwalającego wyznaczyć kąt odchylenia obiektu od pionu, jak również w pomiarach przyspieszenia dynamicznego na skutek ruchu, uderzenia, wstrząsów lub wibracji. Istnieją różne rodzaje czujników tego typu. Jednym z popularniejszych rozwiązań w urządzeniach elektroniki użytkowej są przetworniki pojemnościowe. Na rysunku 2 przedstawiono ideowy schemat takiego akcelerometru.

Głównym elementem czujnika jest tzw. masa bezwładna zamocowana na sprężystych belkach, która stanowi elektrodę w układzie kondensatora pomiarowego. W wyniku przemieszczenia masy zmienia się pojemność i tym samym napięcie wyjściowe, które jest dalej przetwarzane np. w przetworniku A/C i mikrokontrolerze. Tak zbudowane akcelerometry mierzą przyspieszenie w trzech kierunkach wzdłuż osi x, y i z, w zakresie od ±1g do kilku g.

Ich zaletą jest m.in. niski pobór prądu, rzędu od kilkudziesięciu (w trybie czuwania) do kilkuset μA (w trybie pełnej mocy). Dzięki temu akcelerometr często pozostaje w stanie aktywnym, podczas gdy całe urządzenie znajduje się np. w trybie stand-by. Ponowne uruchomienie, np. włączenie wyświetlacza, następuje dopiero w momencie detekcji ruchu na podstawie wskazań akcelerometru.

Przykład: akcelerometr ADXL330

Rys. 5. Gdy osie x i y ekranu są prostopadłe do wektora grawitacji, określenie orientacji wyświetlacza na podstawie danych z akcelerometru jest niemożliwe

Na rysunku 3 przedstawiono schemat blokowy ADXL330, kompletnego systemu do pomiaru przyspieszeń w trzech kierunkach oferowanego przez Analog Devices. Składa się on z akcelerometru MEMS oraz układu kondycjonowania sygnału pomiarowego, ma też trzy napięciowe wyjścia analogowe (Xwy, Ywy i Zwy), na które wyprowadzany jest sygnał proporcjonalny do przyspieszenia w kierunku odpowiednio x, y oraz z.

Zakres pomiarowy tego układu wynosi minimum ±3g (typowo ±3,6g). ADXL330 zasilany może być napięciem w zakresie od 1,8 do 3,6V, a średni pobór prądu to 180μA (przy zasilaniu 1,8V). Układ dostępny jest w 16-wyprowadzeniowej obudowie LFCSP o rozmiarze 4×4×1,45mm. Akcelerometr będący "sercem" ADXL- 330 zrealizowany jest w postaci struktury z krzemu polikrystalicznego połączonej z polikrzemową płytką specjalnie wykonanymi, krzemowymi sprężynami.

Odchylenie struktury jest mierzone z wykorzystaniem kondensatora różnicowego, który składa się z elektrod zamocowanych na masie bezwładnej, przemieszczającej się między parą elektrod zamocowanych na stałe, do których doprowadzane są sygnały prostokątne przesunięte w fazie o 180º. Zmiany pojemności kondensatora powodują proporcjonalne do przyspieszenia zmiany amplitudy sygnału wyjściowego, który następnie w celu wyznaczenia wartości oraz kierunku przyspieszenia przetwarzany jest w demodulatorze.

Sygnał z wyjścia demodulatora jest dalej wzmacniany i doprowadzany na wyjście układu przez rezystor 32kΩ. Użytkownik może zmieniać pasmo przenoszenia układu, odpowiednio dobierając kondensatory filtrujące Cx, Cy oraz Cz. W zależności od wymagań aplikacji pasmo przenoszenia ADXL330 dla przyspieszeń w kierunku wzdłuż osi x i y zmieniać można w zakresie od 0,5Hz do 1,6 kHz oraz od 0,5Hz do 550Hz dla kierunku wzdłuż osi z.

Ograniczenia akcelerometrów

Rys. 6. Żyroskop mierzy prędkość kątową obiektów obracających się wokół jednej z osi x (roll), y (pitch) lub z (yaw) - "a". W zależności od ustawienia czujnik prędkości obrotów wokół jednej osi może też mierzyć ruch wokół pozostałych dwóch "b"

Wprawdzie akcelerometry można efektywnie i bez problemów wykorzystać w pomiarach przemieszczeń w prostych aplikacjach, jednak w bardziej skomplikowanych urządzeniach uwzględnić należy kilka ich istotnych ograniczeń. Jednym z problemów jest np. uzyskanie informacji o orientacji urządzenia w poziomie i w pionie, niezbędnej przy przełączaniu widoku obrazu na ekranie. W sytuacji, gdy np. oś x lub y ekranu pokrywa się z wektorem grawitacji (rys. 4) na podstawie informacji z akcelerometru można rozróżnić, w jakim położeniu urządzenie aktualnie się znajduje.

Jednak w momencie, gdy osie wyświetlacza są prostopadłe do wektora grawitacji (rys. 5), informacja z akcelerometru w tym zakresie nie jest użyteczna. Ponadto tam, gdzie akcelerometr jest używany jako czujnik odchylenia od pionu, konieczne jest wyizolowanie sygnału będącego skutkiem wyłącznie wpływu grawitacji, który posłuży dalej jako odniesienie. Sygnał taki można jednak wyodrębnić jedynie wówczas, gdy akcelerometr jest nieruchomy, co w przypadku interfejsów użytkownika wymagających informacji o odchyleniu może destabilizować pracę.

Innym sposobem na wyodrębnienie informacji o odchyleniu od pionu jest wykorzystanie filtru dolnoprzepustowego. Przyjmuje się wówczas założenie, że sygnał odpowiadający przyspieszeniu dynamicznemu ma dużą częstotliwość i można go odfiltrować. Jednocześnie należy też założyć, że ruchy odchylające obiekt od pionu są wolne, w związku z czym szybsze zmiany orientacji obiektu także zostaną odfiltrowane, a wówczas informacja o kącie nachylenia będzie niedokładna. By pokonać opisywane ograniczenia, najczęściej dane z akcelerometrów przetwarza się w połączeniu z informacją z innych czujników, np. z żyroskopu.

Żyroskopy

Rys. 7. Na obiekt poruszający się w kierunku zewnętrznej krawędzi obrotowej tarczy działa siła powodująca wzrost jego prędkości

Żyroskopy podzielić można zasadniczo na dwie grupy: kierunkowe oraz żyroskopy prędkościowe, przy czym w technologii MEMS częściej wykonuje się sensory drugiego typu. Mierzą one prędkość kątową obiektów obracających się wokół jednej z osi x (tzw. roll), y (pitch) lub z (yaw) (rys. 6a). Możliwe jest też wyznaczenie na tej podstawie (przez całkowanie) wartości kąta obrotu. W zależności od ustawienia czujnik przeznaczony do pomiaru prędkości kątowej wokół jednej aktywnej osi może też mierzyć ruch wokół pozostałych dwóch (rys. 6b).

Przykładem żyroskopów prędkościowych są czujniki wibracyjne wykorzystujące tzw. efekt Coriolisa. Zjawisko to wyjaśnia rysunku 7, przedstawiający obrotową tarczę, w pobliżu centrum której znajduje się obiekt. W miarę jak obiekt ten przesuwa się w kierunku brzegu tarczy, działa na niego tzw. siła Coriolisa, a jego prędkość rośnie, co na rysunku 7. zaznaczono dłuższą strzałką. Szybkość wzrostu prędkości obiektu jest tzw. przyspieszeniem Coriolisa, proporcjonalnym do prędkości obrotowej tarczy oraz prędkości obiektu.

Żyroskopy MEMS buduje się w oparciu o ten efekt, wykorzystując wprawianą w drgania masę, umieszczoną na obrotowej platformie. Masa jest wytrawiana w polikrzemie i mocowana do krzemowej ramy w taki sposób, by mogła się przemieszczać tylko w jednym kierunku (rys. 8). Gdy masa przesuwa się w kierunku zewnętrznej krawędzi tarczy, jest przyspieszana w prawo. Jednocześnie wywiera ona na ramę siłę skierowaną w lewo, co zaznaczono strzałką.

Podobnie, gdy masa przesuwa się w kierunku środka tarczy, wywiera siłę o zwrocie w prawo. By możliwy był pomiar przyspieszenia Coriolisa, ramę z drgającą masą przymocowuje się sprężynami do podłoża pod kątem prostym do kierunku przemieszczania się masy (rys. 9). Na rysunku widać też, że czujnik zawiera kondensator grzebieniowy, w którym część elektrod jest przymocowana na stałe do podłoża, a część jest zamocowane na ruchomej ramie.

Rys. 8. Kiedy drgająca masa przesuwa się w kierunku zewnętrznej krawędzi platformy, jest przyspieszana w prawo i jednocześnie wywiera na ramę, do której jest przymocowana, siłę skierowaną w lewo

Na skutek siły wywieranej przez masę elementy tej struktury przemieszczają się, co zmienia pojemność kondensatora (rys. 10). Warto dodać, że żyroskop skonstruowany w ten sposób można zamontować pod dowolnym kątem i na dowolnej części obracającego się obiektu, pod warunkiem że aktywna oś czujnika będzie równoległa do osi obrotów. W podobny sposób konstruowane są np. żyroskopy MEMS z serii ADXRS, oferowane przez Analog Devices.

Żyroskopy dwu- i trzyosiowe

Rys. 9. Do pomiaru przemieszczenia ramy wykorzystuje się kondensator grzebieniowy

W ofercie niektórych producentów znaleźć też można czujniki mierzące prędkość kątową jednocześnie wokół dwóch lub trzech osi. Wcześniej, gdy takie rozwiązania nie były dostępne, montowano prostopadle np. dwa żyroskopy mierzące prędkość kątową obrotów odpowiednio wokół osi x i y. W większości aplikacji takie rozwiązanie się sprawdzało. Jednak ze względu na dodatkowe komponenty potrzebne do przetwarzania sygnału z każdego z żyroskopów nie było to optymalne podejście, ani pod względem wykorzystania dostępnej powierzchni na płytce drukowanej urządzenia, ani też pod względem kosztów, które się podwajały.

Szczególnie nieopłacalne było to w urządzeniach elektroniki użytkowej, w których cena oraz wymiary często są ważnym czynnikiem przekonującym klienta do zakupu. Dlatego dziś, gdy dostępne są żyroskopy wieloosiowe, właśnie je zaleca się tam, gdzie potrzebna jest informacja o obrotach obiektu wokół więcej niż jednej osi. Na rysunku 11 przedstawiono schemat blokowy takiego urządzenia - układu IDG-500 oferowanego przez firmę InvenSense. Składa się on z dwóch oddzielnych żyroskopów wibracyjnych MEMS zrealizowanych w jednej strukturze wraz z układami elektronicznymi wykonanymi w technologii CMOS.

Rys. 10. Żyroskop wibracyjny

Oprócz żyroskopów elementami tego układu są oscylatory wprawiające w drgania masy w obu sensorach, układ automatycznej regulacji amplitudy tych drgań, układ przetwarzania zmian pojemności struktury palczastej w sygnał napięciowy zmodulowany amplitudowo, demodulator synchroniczny, na wyjściu którego dostępny jest analogowy sygnał napięciowy proporcjonalny do prędkości kątowej oraz filtr dolnoprzepustowy. Dodatkowym elementem jest też pompa ładunkowa, która zapewnia odpowiednio wysokie napięcie wymagane do zasilania układu rezonatora wzbudzającego drgającą masę.

Jaki czujnik wybrać?

Rys. 11. Żyroskop dwuosiowy IDG-500 InvenSense. Wejścia XAGC i YAGC służą do regulacji amplitudy drgań mas w obu sensorach. Sygnał na wyjściach Xwy i Ywy jest proporcjonalny odpowiednio do prędkości kątowej obrotów wokół osi x i y

Wybierając czujnik ruchu do danej aplikacji, należy zwrócić uwagę na różne parametry, np. zakres pomiarowy oraz odporność na czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura oraz wilgotność. Istotnym parametrem, zwłaszcza w przypadku gdy wymagana jest duża precyzja, jest też czułość na przemieszczenie w kierunku prostopadłym do aktywnej osi czujnika. Na przykład, jeżeli akcelerometr został zaprojektowany do pomiaru przemieszczenia wzdłuż osi z, a jednocześnie reaguje na ruch wzdłuż osi x, to wynik pomiaru obarczony będzie błędem.

Dla każdej osi czujnika wyznaczyć można po dwa współczynniki definiowane jako iloraz czułości na ruch w kierunku prostopadłym do aktywnej osi czujnika i czułości na przemieszczenie wzdłuż tej osi. W kartach katalogowych akcelerometrów trzyosiowych parametr ten jest podawany np. jako jeden współczynnik określający sprzężenie między dwoma dowolnymi osiami czujnika. Na przykład w omawianym wcześniej akcelerometrze ADXL330 wynosi on ±1%. Wybór konkretnego modelu czujnika to jednak niejedyny dylemat, przed jakim staje konstruktor. Często bowiem przyjmuje się, że projektując układ przetwarzania ruchu, wybrać należy albo żyroskop, albo akcelerometr.

Razem czy osobno?

Rys. 12. Układ przetwarzania ruchu zbudowany z oddzielnych czujników i dyskretnych układów przetwarzania sygnału, w tym wypadku filtrów

Jest to jednak błędne przekonanie, gdyż w praktyce większość urządzeń elektroniki użytkowej wymaga informacji zarówno o przemieszczeniach liniowych w trzech kierunkach, jak i o obrotach wokół trzech osi. Dlatego najczęściej wykorzystywane są oba typy czujników jednocześnie. Jedną z możliwych opcji jest budowa układu przetwarzania ruchu z oddzielnych sensorów oraz układów przetwarzania sygnału, np. filtrów (rys. 12). Można też zastosować rozwiązanie zintegrowane, takie jak np. moduł inercyjny (Inertial Measurement Unit) IMU-3000 firmy InvenSense.

Łączy on w sobie trzyosiowy cyfrowy żyroskop, porty I²C do połączenia z zewnętrznymi akcelerometrami cyfrowymi oraz układ DMP (Digital Motion Processor), który wstępnie przetwarza sygnał z czujników, odciążając w ten sposób procesor głównego urządzenia. Wybierając rozwiązanie zintegrowane, uniknąć można różnych komplikacji, np. na etapie wyboru częstotliwości próbkowania oraz częstotliwości odcięcia filtru antyaliasingowego.

Problemy pojawiają się, gdy w danym urządzeniu będą dostępne różne funkcje. Przykładem jest realizacja obsługi interfejsu gier. Na przykład gry sportowe ze względu na dynamikę ruchu wymagają szerszego pasma częstotliwości w porównaniu do gier polegających np. na rysowaniu na ekranie lub wyborze opcji z menu ekranowego. W takim wypadku, gdy zastosujemy filtr antyaliasingowy o zbyt dużej częstotliwości odcięcia, w drugiej aplikacji mogą wystąpić zakłócenia oraz zmniejszy się dokładność.

Jeżeli z kolei częstotliwość odcięcia filtru będzie za niska, mogą powstać opóźnienia w obsłudze interfejsu gry sportowej. Dlatego w układach przetwarzania sygnałów o zmiennym paśmie częstotliwości wykorzystuje się programowalne filtry cyfrowe po wstępnym przetworzeniu sygnału w filtrze analogowym. W omawianym przypadku warto zastosować filtr antyaliasingowy o częstotliwości odcięcia odpowiedniej do obsługi interfejsu gry, a następnie programowalny filtr cyfrowy, spełniający wymagania aplikacji o najwęższym paśmie.

Podsumowanie

Rys. 13. Rynek akcelerometrów i żyroskopów MEMS w latach 2007-2013 (źródło: Yole Développement)

Producenci elektroniki użytkowej (i nie tylko) prześcigają się w uzupełnianiu swoich produktów o kolejne funkcje usprawniające ich użytkowanie lub po prostu wyróżniające na tle konkurencji. Przykładem są prace nad zdalnym sterowaniem odbiornikami TV za pośrednictwem gestów oraz śledzeniem ruchów głowy w celu poprawy jakości odbioru dźwięku emitowanego przez urządzenia audiowizualne. Innym przykładem jest śledzenie i rejestracja ruchów ludzi na podstawie informacji z akcelerometrów oraz żyroskopów umieszczonych na całym ciele.

Dane uzyskane w ten sposób można dalej przetwarzać w komputerze, analizując je w zależności od aplikacji. Takie rozwiązania wdraża się m.in. w zdalnym monitoringu aktywności fizycznej np. rehabilitowanych pacjentów lub sportowców, a także w czasie treningów różnych umiejętności (np. tańca, strzelania) oraz w grafice komputerowej, gdzie pozyskane informacje wykorzystuje się do poprawy płynności ruchów postaci w filmach animowanych i grach.

Przykładem takiego rozwiązania jest oferowany przez firmę Xsens system MVN. Składa się on z 17 czujników (akcelerometrów, żyroskopów oraz magnetometrów), które przymocowuje się na różnych częściach ciała. By proces mocowania sensorów oraz kabli łączących sieć czujników przebiegał sprawniej, elementem systemu MVN jest też specjalny kombinezon. Dla każdego segmentu ciała, na którym zamontowano sensory, zbierane są dane o położeniu, prędkości, przyspieszeniu, orientacji, prędkości kątowej i przyspieszeniu kątowym.

Informacje te są bezprzewodowo transmitowane do komputera. Rosnące zainteresowanie czujnikami przemieszczeń potwierdzają też badania rynku. Jak wynika z analizy przedstawionej w ubiegłym roku przez Yole Développement, w 2008 na całym świecie wyprodukowano 859 mln akcelerometrów i żyroskopów MEMS, co odpowiada rynkowi o wartości 1,85 mld dol. (rys. 13). Większość tych sensorów wykorzystano w przemyśle motoryzacyjnym, jednak zdaniem analityków wkrótce rynek ten zdominuje elektronika użytkowa. Wpłynie na to chociażby kryzys ekonomiczny, który szczególnie dotknął producentów samochodów.

Ponadto czujniki tego typu nie będą używane poza aplikacjami, w których są instalowane już od dawna (np. w poduszkach powietrznych oraz w układach stabilizacji toru jazdy). Stąd średni roczny wzrost wykorzystania sensorów ruchu w branży samochodowej według prognoz będzie rzędu zaledwie 2,9% do 2013. Tymczasem w elektronice użytkowej czujniki MEMS będą coraz chętniej instalowane w nowych produktach, co według Yole Développement sprawi, że rynek ten będzie w najbliższych latach rósł szybciej niż kiedykolwiek, bo aż 16,9% rocznie.

Monika Jaworowska