Nové obvody MEMS od STMicroelectronics®

Když se poprvé na trhu objevily obvody typu MEMS, obvody spojující svět mikroelektroniky a mechaniky (Micro- Electro-Mechanical-Systems), málokdo tušil, jak velký dopad na současnou elektroniku budou mít tyto součástky. Trh tyto součástky přijal pozitivně, neboť vývojáři pro ně našli uplatnění, a tak postupem času se jejich počet úspěšně rozrůstá nejen o nové typy akcelerometrů, ale i o další senzory založené na principu MEMS, jako jsou gyroskopy a další.

Pod názvem LPS001WP přichází na trh nový obvod typu MEMS umožňující měřit tlak plynů, především ale tlaku vzduchu. V případě tohoto obvodu je však konstrukce tlakoměru díky použitým moderním technologiím úplně odlišná od klasických snímačů, neboť výsledný tlakoměr je zapouzdřen v malém bezvývodovém pouzdru HCLGA-8L a rozměrech pouhých 3×5×1 mm! Vlastní prvek, který snímá tlak, je miniaturní, pružně uložená, křemíková membrána realizovaná přímo na monokrystalu, kde jsou vytvořeny i ostatní elektrické obvody. Pod touto křemíkovou membránou, vytvořenou nově vyvinutou technologií VENSENS, se nachází malý prostor, malá vzduchová kapsa. Díky této vzduchové kapse se membrána podle velikosti okolního tlaku vzduchu prohne či vyduje. Dá se tedy říci, že membrána porovnává tlak mezi vzduchovou kapsou a okolím, takže prohnutí membrány je úměrné rozdílu absolutních tlaků a pokud známe tlak v malé vzduchové kapse před tím, než ji membrána uzavřela, a dokážeme změřit prohnutí membrány, jsme schopni spočítat i tlak vzduchu okolo nového snímače.

Deformace nebo chcete-li prohnutí membrány je snímáno pomocí piezorezistoru, který je přímo součástí pružné membrány. Díky kvalitní struktuře snímače, jeho dobré teplotní kompenzaci a kvalitnímu 16bitovému ΣΔ A/D převodníku dokáže obvod LPS001WP rozlišit i velmi malou změnu tlaku. Udávaná hodnota nejmenší změny tlaku 0,065 mbar, kterou je obvod schopen rozlišit, představuje změnu tlaku, která nastane při přemístění snímače o pouhých 80 cm ve vertikálním směru! Rozsah tlaku, který je obvod schopen měřit, je 300 mbar až 1 100 mbar, což představuje výšku od –750 m do 9 000 m od hladiny moře. Velkou předností obvodu je to, že kalibrace obvodu probíhá přímo při výrobě, a díky konstrukci snímače není zákazník nucen provádět náročnou kalibraci sám. Díky mechanické ochraně, která limituje prohnutí citlivé membrány, není nutno se obávat, že dojde k jejímu poškození překročí-li okolní tlak zmíněné mezní hodnoty.

Mezi další výhody nových obvodů LPS001WP patří i to, že tyto snímače tlaku snáší velmi dobře zrychlení, neboť membrána je velmi malá a má téměř zanedbatelnou hmotnost. Výrobce udává, že obvod snáší rázové přetížení až 10 000 g! Tento fakt rozšiřuje možnosti nasazení snímačů tlaku do mnoha oblastí, kde není možné použít klasické snímače tlaku. Klasickým příkladem, kde díky zrychlením nemohou být použity klasické snímače tlaku, jsou mobilní telefony či GPS navigace. I když by se mohlo zdát, že implementace těchto prvků do zařízení je zbytečná, musíme si uvědomit, že mohou nastat případy, kdy informace ze zmiňovaného senzoru mohou přispět k přesnější lokaci. Příkladem může být navigace uvnitř budov, kde signál GPS nemusí být dostupný, ale díky tlaku senzoru můžeme získat informaci o výšce, kde se nacházíme. V mobilním přístroji například tato informace může přispět k rychlejšímu vyhledání osoby v budově například v případě požáru. Další aplikací, pro kterou jsou tyto nové snímače vhodné, jsou hodinky pro sportovce, které mohou ke snímaným datům přidat i informaci o momentálním tlaku vzduchu.

Vraťme se však k popisu vlastního obvodu. Aby uživatel nemusel složitě zpracovávat data z 16bitového ΣΔ A/D převodníku, přidali návrháři obvodu LPS001WP na jeho čip i obvody pro zpracování signálu a jeho převodu, a tak komunikace mezi obvodem a uživatelskou aplikací probíhá přes klasická rozhraní I2C nebo SPI.

Obvody pro zpracování signálu též umožňují velmi přesnou kalibraci obvodu při závěrečné fázi výroby. Pro dosažení vysoké přesnosti je prováděna kalibrace při dvou hodnotách tlaku a dvou hodnotách teploty. Díky této precizní kalibraci STMicroelectronics® garantuje pracovní rozsah teplot –10 °C až +85 °C, přičemž obvod pracuje i v rozšířeném rozsahu –40 °C až +85 °C. Fakt, že uživatel nemusí obvody znovu kalibrovat, znamená velké finanční úspory.

LPS001WP je schopen ve standardním režimu poskytovat údaje o okolním tlaku či teplotě zhruba 7× za sekundu. Ne vždy je nutné mít data k dispozici tak často. Na to pamatovali i návrháři obvodu a vybavili obvod možností snížení rychlosti toku dat. Nižší četnost dat pak znamená i nižší spotřebu. Aby bylo možno snížit spotřebu ještě více, je obvod možné provozovat v režimu snížené přesnosti, což vede k dalšímu snížení spotřeby. Například, provozujeme-li obdvod v režimu standardní přesnosti a sbíráme-li informace rychlostí 4× za sekundu, je typická spotřeba obvodu 150 μA. Snížíme-li rychlost sběru dat na 1× za sekundu a snížíme-li požadavek na přesnost, sníží se spotřeba na pouhých 21 μA. Nastavení četnosti dat, stejně jako další parametry, se nastavují zapsáním hodnot do předem určených vnitřních registrů přes zvolené komunikační rozhraní.

Jelikož je obvod určen do moderních aplikací, může se jeho napájecí napětí pohybovat v rozmezí 2,2 V až 3,6 V.

Aktuální informace o novinkách od firmy STMicroelectronics® nejen z této, ale i mnoha dalších oblastí, můžete najít na webových stránkách www.st.com. Cenové nabídky je pak možné vyžádat u distributorů.