Introduzione agli accelerometri MEMS

Poiché questi accelerometri sono destinati all'uso in applicazioni di misura critiche, è necessario verificare la sensibilità per essere certi che rientri nelle specifiche. È possibile eseguire una calibrazione statica accurata utilizzando la gravità terrestre come riferimento di accelerazione. Innanzitutto, posizionare l'accelerometro con un orientamento di +1g in modo che la base sia appoggiata sulla superficie di montaggio e il numero del modello sia rivolto verso l'alto (Figura 3). In questo orientamento l'accelerometro subisce un'accelerazione di +1g. Registrare la tensione di uscita CC con un DVM. Invertire il sensore capovolgendolo di 180°. Appoggiare la parte superiore sulla superficie di montaggio con il numero del modello rivolto verso il basso (Figura 4). Il sensore subisce un'accelerazione di -1g. Registrare la tensione di uscita CC. Per calcolare la sensibilità dell'accelerometro, utilizzare l'equazione:

Sensibilità = [(+1g) - (-1g)] / 2

Gli elementi sensibili degli accelerometri PR sono costituiti da flessioni su un wafer centrale inserito tra un wafer superiore e uno inferiore (Figura 5). La flessione di queste flessioni provoca una variazione misurabile della resistenza, proporzionale all'accelerazione applicata. Modificando la rigidità delle flessioni o la massa sismica, è possibile ottenere una selezione di campi di misura a fondo scala.

I wafer superiore e inferiore sono laminati su un wafer centrale mediante un legame di vetro. In questo modo si ottiene un involucro ermetico per le flessioni e dei fermi meccanici per la protezione da sovraccarichi. Lo smorzamento del gas riduce l'amplificazione risonante quando gli accelerometri PR sono utilizzati in applicazioni con urti elevati. Lo smorzamento riduce la risposta all'energia ad alta frequenza. Per ridurre gli effetti termici sullo smorzamento, si utilizza l'aria anziché un liquido.

Gli elementi di rilevamento sono disposti in una configurazione a ponte di Wheatstone completamente attiva. Un ponte completamente attivo (Figura 6) utilizza due resistenze che aumentano con l'accelerazione o la forza in ingresso e due che diminuiscono. Queste resistenze sono chiamate, rispettivamente, calibri di tensione e di compressione. La differenza di tensione di queste linee di uscita sarà proporzionale alla tensione di eccitazione applicata. La tensione di eccitazione utilizzata durante l'applicazione deve essere la stessa utilizzata durante il processo di calibrazione.

Gli elementi di rilevamento sono tipicamente montati su schede di circuito inserite in custodie di titanio o alluminio. Sono disponibili anche pacchetti a montaggio superficiale. I sensori MEMS a montaggio superficiale sono in genere saldati o fissati con resina epossidica al livello successivo di assemblaggio. Le figure 7, 8 e 9 sono esempi di stili di confezionamento.

Figura 7. Sensori MEMS PR in custodie di titanio

Figura 8. Sensore PR MEMS in custodia di alluminio

Figura 9. Accelerometro PR a montaggio superficiale confezionato in un supporto per chip senza piombo

Per sfruttare la risposta in corrente continua degli accelerometri MEMS, il dispositivo di lettura deve essere accoppiato in corrente continua. Se si utilizza un condizionatore di segnale per l'alimentazione, anch'esso deve essere accoppiato in CC. Per informazioni specifiche, consultare il manuale del produttore o del prodotto. Gli accelerometri PR devono essere alimentati con una sorgente di tensione regolata, poiché la sensibilità è proporzionale alla tensione di eccitazione. Si consiglia di utilizzare la tensione di eccitazione indicata sul certificato di calibrazione per ottenere il valore di sensibilità calibrato. Per ulteriori dettagli sull'alimentazione, consultare i manuali dei singoli prodotti. I modelli 482C27 e 482C28 del condizionatore di segnale PCB® possono essere utilizzati per alimentare i sensori MEMS piezoresistivi.

La maggior parte degli accelerometri PR MEMS confezionati in titanio viene fornita con un cavo integrale collegato agli elementi di rilevamento. L'estremità di terminazione è a coda di rondine e pronta per essere collegata a un condizionatore a ponte (Figura 10). Il filo di terra e lo schermo del cavo devono essere collegati in modo appropriato all'estremità della strumentazione per evitare loop di terra. Gli isolatori interni mantengono l'elemento di rilevamento elettricamente isolato dalla custodia e dalla struttura di montaggio.

Gli accelerometri MEMS PR sono destinati all'uso in applicazioni di misura critiche. La salute del sensore viene verificata controllando la tensione di offset di uscita e la resistenza del ponte.

Per verificare la tensione di offset di uscita, collegare i cavi +Exc e -Exc a un'alimentazione adeguata. Collegare i conduttori +Sig e -Sig a un voltmetro impostato per la lettura di VCC. Montare il sensore con orientamento +1g in modo che sia appoggiato saldamente su una superficie piana e stabile. Misurare la tensione differenziale in uscita dal sensore. Controllare il certificato di calibrazione per verificare la tensione di offset misurata.

Per verificare la resistenza del ponte, utilizzare un ohmmetro o impostare un multimetro digitale per misurare gli ohm. Appoggiare il sensore su una superficie piana e livellata. Non è necessario applicare una tensione di eccitazione per questo test. La resistenza di ingresso viene misurata tra i fili +Exc e -Exc. La resistenza di uscita si misura tra i fili +Sig e -Sig. Per verificare i valori di resistenza misurati, consultare il certificato di calibrazione.

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