MEMS-y z oferty STMicroelectronics - przegląd możliwości

Atutami sensorów MEMS oferowanych przez STMicroelectronics są także ich łatwa dostępność w naszym kraju oraz niskie ceny, które umożliwiają stosowanie tych elementów także w projektach niskobudżetowych.

W artykule przedstawiamy przegląd cech i możliwości wybranych sensorów MEMS produkowanych przez firmę (rys. 1), który pozwoli się szybko i wygodnie zorientować, jak je dobierać do własnych aplikacji.

Akcelerometry

Rys. 1. Zestawienie grup sensorów MEMS produkowanych przez STMicroelectronics

Akcelerometry są największą, najdłużej produkowaną i najpopularniejszą - głównie dzięki uniwersalności funkcjonalnej - grupą sensorów oferowanych przez STMicroelectronics. Producent oferuje obecnie 22 typy sensorów 3D, wyposażonych w wyjścia analogowe lub zintegrowane z przetwornikiem A/C, który komunikuje się z otoczeniem za pomocą interfejsu I²C lub SPI.

Dostępne są przetworniki o zakresach pomiarowych od ±2 g aż do ±400 g, co pozwala dobrać sensor do aplikacji w taki sposób, aby uzyskać maksymalną rozdzielczość i czułość pomiaru. Akcelerometry z wbudowanymi przetwornikami A/C zapewniają rozdzielczość od 8 do 16 bitów, w zależności od typu dane z toru konwersji mogą być buforowane w FIFO lub nie.

Akcelerometry oferowane przez firmę ewoluują, przy czym szczególnie łatwe do zauważenia są trzy trendy:

• zmniejszanie wymiarów obudowy - najnowsza generacja (LIS2) ma wymiary 2×2×1 mm, uchodząca do niedawna za ultraminiaturową poprzednia generacja (LIS3xxx) ma wymiary 3×3×1 mm,
• zmniejszania poboru mocy w trybach realizacji pomiaru, czego przykładami może być m.in.: akcelerometr z 12-bitowym przetwornikiem LIS3DH pobierający zaledwie 2 µA podczas realizacji pomiarów z częstotliwością 1 Hz i 11 µA podczas realizacji pomiarów z częstotliwością 50 Hz,
• zwiększania możliwości funkcjonalnych sensorów, co polega na integracji w ich logice programowalnych detektorów podwójnego puknięcia, wykrywania ruchu, wbudowywania czujnika temperatury, czy też integracji w strukturach akcelerometrów programowalnych maszyn stanów (jak np. w LIS3DSH), które można wykorzystać do generowania przerwań sprzętowych na bazie sekwencji wydarzeń zdefiniowanych przez użytkownika.

Rys. 2. Sposób działania sensora położenia FC30

Osobliwym przypadkiem w rodzinie akcelerometrów oferowanych przez STMicroelectronics jest 3-osiowy sensor FC30, który wykrywa swoje położenie względem powierzchni Ziemi dwustanowo w każdej osi (6 pozycji), jak pokazano na rysunku 2.

Sposób działania tego sensora predestynuje go m.in. do sterowania wyświetlaniem obrazu na wyświetlaczu LCD w urządzeniach mobilnych oraz innych aplikacjach, w których ma znaczenie jednoznaczne określenie położenia obiektu względem powierzchni Ziemi bez konieczności wykonywania obliczeń.

Prezentowany element można wykorzystać także do wykrywania podwójnych puknięć, co zwiększa funkcjonalność docelowego urządzenia bez konieczności aplikowania dodatkowych układów logicznych lub mikrokontrolera.

Żyroskopy

Rys. 3. Schemat blokowy 3-osiowego żyroskopu L3GD20

Firma STMicroelectronics szybko rozwinęła rodzinę produkowanych przez siebie żyroskopów MEMS, obecnie liczy ona 21 typów sensorów, zarówno 1-, 2-, jak i 3-osiowych. Producent oferuje żyroskopy o zakresach pomiarowych od ±30°/s do ±2000°/s, w zależności od typu mogą być one wyposażone w wyjścia analogowe lub mają zintegrowane "pokładowe" przetworniki A/C. Tak wyposażone żyroskopy oferują rozdzielczość konwersji każdego kanału wynoszącą 16 bitów, podobnie do wcześniej przedstawionych akcelerometrów dostęp do danych można uzyskać za pomocą interfejsu I²C lub SPI (rys. 3).

Tendencje rozwojowe w rodzinie żyroskopów oferowanych przez STMicroelectronics są podobne do wspomnianych przy okazji akcelerometrów: zmniejszane są ich wymiary (domyślny trend to wymiary 4×4×1 mm oraz 3×3×1 mm), zwiększa się także liczba funkcji pomocniczych integrowanych w obudowach sensorów (jak na przykład czujnik temperatury, konfigurowalny bufor FIFO dla danych), a także minimalizacja poboru energii - zarówno poprzez zabiegi technologiczne zmniejszające prądy upływu, jak i rozwiązania układowe zmniejszające pobór prądu podczas normalnej pracy sensora.

e-kompasy

Rys. 4. Schemat blokowy czujnika kompasowego zintegrowanego z akcelerometrem (obydwa 3D) - LSM303DLHC

W skład rodziny kompasowych czujników MEMS oferowanych przez ST-Microelectronics wchodzą obecnie dwa rodzaje elementów:

• 3-osiowe czujniki pola magnetycznego zintegrowane z 3-osiowymi akcelerometrami - tworzące rodzinę LSM303xxx, charakteryzujące się zakresem pomiarowym pola magnetycznego od ±1,3 do ±16 Gs i zakresem pomiaru przyspieszenia od ±2 g do ±16 g, w zależności od typu sensora. Schemat blokowy czujnika tego typu (LSM303DLHC) pokazano na rysunku 4.
• 3-osiowy czujnik pola magnetycznego bez żadnych dodatkowych funkcji, czego przykładem jest jedyny tego typu sensor oznaczony symbolem LIS3MDL.

Wszystkie prezentowane czujniki kompasowe mają cyfrowy interfejs SPI/I²C lub wyłącznie I²C (LSM303DLHC), są oferowane w ultraminiaturowych obudowach o wymiarach 2×2×1 mm (LIS3MDL oraz LSM303C), 3×3×1 mm (LSM303D) lub 3×5v1 mm (LSM303DLHC). Rozdzielczość konwersji wyników pomiarów wynosi do 16 bitów.

Czujniki ciśnienia

Rys. 5. Schemat blokowy czujnika ciśnienia LPS331AP

Gorącą nowością w ofercie STMicroelectronics są MEMSowe czujniki ciśnienia. Obecnie produkowany jest jeden typ takiego sensora - LPS331 - pozwalający dokonywać pomiarów ciśnienia powietrza w zakresie 260-1260 mb z maksymalną rozdzielczością 24 bitów (co daje wartość kwantu 20 µb).

Schemat blokowy ilustrujący budowę LPS331 pokazano na rysunku 5. Jak widać, jest to układ zaawansowany konstrukcyjnie, bowiem wynik odczytywany poprzez interfejs SPI/I²C jest poddawany obróbce obliczeniowej, w skład której wchodzi nie tylko eliminacja błędów wynikających z warunków pomiarów, ale także składowa temperatury, która wpływa na parametry mostka pomiarowego Wheatstone'a.

Maksymalna częstotliwość odczytu danych wynosi 25 Hz, a płytka czujnikowa jest w stanie wytrzymać przeciążenia ciśnieniowe o wartości do 20-krotności zakresu pomiarowego. Wymiary obudowy LPS331AP wynoszą 3×3×1 mm, pobór prądu w trybie o niskiej rozdzielczości konwersji (kwant pomiaru 160 µb) przy częstotliwości powtarzania pomiarów 1 Hz wynosi zaledwie 5,5 µA.

Producent planuje wdrożenie w najbliższym czasie drugiego sensora oznaczonego symbolem LPS25H, którego parametry i cechy funkcjonalne są bardzo podobne do LPS331AP, ale wymiary mniejsze: wynoszą zaledwie 2,5×2,5×1 mm.

Mikrofony

Rys. 6. Schemat aplikacyjny analogowego mikrofonu MEMS

Wykorzystując opracowane przez siebie zaawansowane technologie MEMS, producent wdrożył do produkcji rodzinę mikrofonów dla aplikacji audio, w której są dostępne elementy z wyjściem analogowym (napięciowym) lub cyfrowym (PDM). Mikrofony z wyjściami cyfrowymi (np. MP34Dx01 lub MP45DT02) mogą pracować w konfiguracji stereofonicznej, mikrofony z wyjściami analogowymi są aplikacyjnymi odpowiednikami mikrofonów pojemnościowych zintegrowanych z przedwzmacniaczami (rys. 6).

Charakterystyki częstotliwościowe mikrofonów zależą od typu: są dostępne modele o paśmie analogowym od 100 Hz do 10 kHz (MP33AB01) oraz od 20 Hz do 20 kHz (MP34DT01/DB01) i czułości od -38 dB_FD do -26 -38 dB_FD. W standardowej ofercie są dostępne mikrofony z otworami powietrznymi od spodu obudowy (bottom port) lub w jej górnej części (top port), co znajduje odzwierciedlenie w środkowej części oznaczenia typu (np. MP34DT oznacza mikrofon MEMS w obudowie 3×4 mm, z wyjściem cyfrowym i otworem od góry).

Producent w szybkim tempie rozwija rodziny mikrofonów MEMS, opracowując szereg rozwiązań poprawiających ich parametry: szerokość pasma, liniowość charakterystyki przenoszenia, wymiary obudowy, zmniejszenie poboru mocy, wartość odstępu sygnału od szumu, poziom przesterowania sygnałem akustycznym AOP (Acoustic Overload Point).

Czujniki zintegrowane

Rys. 7. Schemat aplikacyjny nowego sensora 9DoF z oferty STMicroelectronics - LSM9DS0

Firma STMicroelectronics dostrzegając konieczność zwiększania integracji sensorów MEMS, wprowadziła do produkcji układy z serii iNEMO z serii LSM330, w których zintegrowano struktury akcelerometru LIS3DH oraz żyroskopu L3GD20, które umieszczono w trzech typach obudów LGA o wymiarach 3,5×3×1 mm (LSM330), 3×5,5×1 mm (LSM330D) oraz 4×5×1,1 mm (LSM330DLC).

Zaawansowaną alternatywą dla sensorów LSM330 jest nowy w ofercie producenta zintegrowany sensor 9DoF (degrees of freedom), o nazwie LSM9DS0, składający się z trzech sensorów MEMS 3D: akcelerometru, czujnika pola magnetycznego i żyroskopu.

Nowy sensor ma zintegrowany 16-bitowy przetwornik A/C, komunikujący się z otoczeniem za pomocą interfejsu I²C lub SPI, wspomaganego przez wyjścia przerwań. Dane przetwarzane w torze A/C mogą być przesyłane za pomocą 32-poziomowego bufora FIFO. Podstawowy schemat aplikacyjny sensora LSM9DS0 pokazano na rysunku 7.

Zestawy ewaluacyjne z sensorami MEMS

Fot. 8. Wygląd zestawu STEVAL-MKI119V1

Z myślą o konstruktorach lubiących samodzielnie zweryfikować katalogowe obietnice, producent sensorów prezentowanych w artykule przygotował zestawy narzędziowe i ewaluacyjne, pozwalające szybko rozpocząć własne badania. Przykładem jest bazujący na mikrokontrolerze z rodziny STM32 zestaw STEVAL-MKI119V1 (fot. 8), w którym zastosowano dwa sensory tworzące zespół 9DoF: żyroskop L3GD20 oraz kompas z akcelerometrami LSM303DLHC.

Interesującym - zarówno ze względu na możliwości, jak i cenę - jest zestaw STM32F3DISCOVERY, w którym zastosowano mikrokontroler z rodziny STM32F3 (rdzeń Cortex-M4F) i sensory MEMS: LSM303DLHC i L3GD20, podobnie jak w zestawie STEVAL-MKI119V1.

Producent przygotował także zestawy dla konstruktorów zainteresowanych mikrofonami MEMS: STEVAL-MKI116V1 (z MP34DB01), STEVAL-MKI117V1 (z MP34DT01), STEVAL-MKI117V2 (z MP45DT02), dla których interesująca alternatywą jest STM32F4DISCOVERY z mikrofonem MP45DT02.

Podsumowanie

Przygotowany przez nas ekspresowy przegląd czujników MEMS produkowanych przez STMicroelectronics wyraźnie pokazuje, że nie obszaru współczesnej sensoryki półprzewodnikowej, w której producent nie ma czegoś istotnego do powiedzenia. Dodatkowym argumentem dla inżynierów aplikujących te podzespoły jest także przyjazna polityka cenowa producenta, który wyraźnie pokazuje, że mali klienci też są ważni.

Piotr Zbysiński
EP