Тепловой акселерометр

Тепловой акселерометр — это микроэлектромеханический датчик (МЭМС), предназначенный для измерения кажущегося ускорения (проекции вектора ускорения на ось чувствительности), принцип действия которого основан на измерении изменения температурного поля, вызванного конвекцией нагретого газа или переносом тепла в миниатюрной герметичной камере. В отличие от классических ёмкостных или пьезоэлектрических акселерометров, тепловые акселерометры не содержат механически подвижных инерционных масс (доказательных тел), что обеспечивает им высокую устойчивость к ударным нагрузкам и механическим повреждениям.

История развития

Первые концепции использования тепловых явлений для измерения ускорения были предложены в 1990-х годах. Развитие микроэлектроники и технологий поверхностного и объёмного микроструктурирования кремния позволило создать миниатюрные нагревательные элементы и термопары на одном кристалле. Значительный вклад в разработку тепловых акселерометров внесли исследовательские группы из Италии (Университет Тренто, STMicroelectronics) и США (Университет Калифорнии, Беркли). В середине 2000-х годов компания MEMSIC (США) начала серийный выпуск первых коммерческих тепловых акселерометров, которые нашли применение в бытовой электронике (игровые приставки, смартфоны) и автомобильной промышленности (системы подушек безопасности). В России исследования в данной области проводятся в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» и на предприятиях, входящих в контур АО «Росэлектроника», однако широкого промышленного выпуска отечественных тепловых акселерометров не зафиксировано.

Принцип действия

Физическая основа

Работа теплового акселерометра базируется на двух физических процессах:

1. Естественная конвекция — перенос тепла за счёт разности плотностей нагретого и холодного газа в поле силы тяжести или ускорения.
2. Терморезистивный эффект — зависимость электрического сопротивления материала (обычно поликремния или платины) от температуры.

Устройство и процесс измерения

В герметичной камере, заполненной инертным газом (например, ксеноном или аргоном) при атмосферном или пониженном давлении, размещены:

• Центральный нагреватель — резистивный элемент, расположенный в середине камеры, через который пропускается электрический ток. Нагреватель создаёт вокруг себя область с повышенной температурой (температурное облако).
• Два или более термодатчика (термопары или терморезисторы) — расположены симметрично относительно нагревателя, обычно на равных расстояниях от него.

В отсутствие ускорения (или при нулевом ускорении в поле земной гравитации) нагретый газ распространяется симметрично относительно нагревателя. Температура на обоих датчиках одинакова, разность температур ΔT = 0. При воздействии на корпус акселерометра ускорения (например, вдоль оси чувствительности) возникает инерционная сила, действующая на молекулы газа. Это приводит к смещению температурного облака в направлении, противоположном вектору ускорения. Температура на одном датчике повышается, на другом — понижается. Разность температур ΔT оказывается пропорциональной величине кажущегося ускорения. Сигнал с термодатчиков преобразуется в электрическое напряжение, которое после усиления и оцифровки (АЦП) выдаётся в виде цифрового кода или аналогового напряжения.

Особенности

• Отсутствие подвижных частей. Вся конструкция является монолитной, что исключает трение, залипание и усталость материала.
• Зависимость от ориентации в пространстве. В поле земной гравитации (g ≈ 9,81 м/с²) тепловой акселерометр измеряет не только ускорение движения, но и проекцию силы тяжести на ось чувствительности. Это позволяет использовать его как датчик наклона (инклинометр).
• Влияние температуры окружающей среды. Плотность и вязкость газа в камере зависят от внешней температуры, что требует введения термокомпенсации.

Классификация

Тепловые акселерометры классифицируются по нескольким признакам:

По числу осей чувствительности

• Одноосные — измеряют ускорение только по одной оси (обычно X или Y).
• Двухосные — содержат два ортогональных канала (X и Y) на одном кристалле.
• Трёхосные — измеряют ускорение по трём ортогональным осям (X, Y, Z). В трёхосных конструкциях часто используется один нагреватель и несколько пар термодатчиков, расположенных в разных плоскостях.

По типу выходного сигнала

• Аналоговые — выдают напряжение, пропорциональное ускорению (например, 0–5 В).
• Цифровые — выдают данные в цифровом формате (I²C, SPI, PWM).

По диапазону измерений

• Низкодобротные (до ±2 g) — для бытовой электроники, систем стабилизации.
• Среднедобротные (до ±50 g) — для автомобильной электроники, робототехники.
• Высокодобротные (до ±500 g и выше) — для промышленных систем, ударных испытаний.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики тепловых акселерометров:

Применение

Автомобильная промышленность

• Системы пассивной безопасности. Тепловые акселерометры используются в датчиках удара для подушек безопасности и преднатяжителей ремней. Высокая ударная прочность (до 10 000 g) позволяет им выдерживать нагрузки при аварии без разрушения.
• Системы курсовой устойчивости (ESC). Измерение поперечного ускорения автомобиля.

Бытовая электроника

• Игровые контроллеры и пульты. Например, в контроллерах Nintendo Wii и некоторых моделях смартфонов (2005–2010 гг.) применялись тепловые акселерометры MEMSIC.
• Устройства виртуальной реальности. Датчики наклона и движения.

Промышленность и робототехника

• Системы вибромониторинга. Измерение вибраций промышленного оборудования.
• Системы стабилизации платформ. Для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и гиростабилизированных подвесов.

Оборонная и аэрокосмическая техника

• Датчики ударных нагрузок. Для испытаний боеприпасов и средств поражения.
• Инерциальные навигационные системы (ИНС). В составе инерциальных измерительных блоков (IMU) для ракет и БПЛА. Однако из-за относительно высокого шума и низкой полосы пропускания тепловые акселерометры уступают ёмкостным и волоконно-оптическим аналогам в точности.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая механическая прочность. Отсутствие подвижных частей делает тепловые акселерометры практически нечувствительными к ударным и вибрационным нагрузкам, которые разрушают традиционные МЭМС-датчики.
• Простота конструкции и низкая стоимость. Изготовление по стандартной КМОП-технологии (CMOS-совместимость).
• Широкий температурный диапазон работы. От –40°C до +125°C без существенной деградации.
• Возможность измерения статического ускорения (наклона).

Недостатки

• Высокий уровень шума. По сравнению с ёмкостными акселерометрами, тепловые имеют в 2–5 раз больший шум, что ограничивает их применение в прецизионной навигации.
• Ограниченная полоса пропускания. Из-за тепловой инерционности газа частота среза обычно не превышает 100 Гц.
• Температурная зависимость. Требуется сложная цифровая компенсация.
• Меньшая чувствительность. Для измерения малых ускорений (< 0.1 g) требуется очень точная термокомпенсация.

Перспективы развития

Основные направления совершенствования тепловых акселерометров включают:

• Миниатюризация. Уменьшение размеров камеры и нагревателя до субмиллиметрового уровня.
• Использование новых рабочих тел. Применение газов с более высокой теплопроводностью (гелий) или низкой вязкостью (ксенон) для улучшения динамических характеристик.
• Интеграция с цифровыми интерфейсами. Разработка полностью цифровых датчиков с встроенной термокомпенсацией и фильтрацией.
• Создание трёхосных монолитных конструкций. Совмещение трёх каналов на одном кристалле без увеличения стоимости.

Источники

• М. А. Басараб, В. Ф. Кравченко, В. А. Матвеев. «Микроэлектромеханические системы: учебное пособие». — М.: Радиотехника, 2017.
• А. В. Григорьев, С. А. Козлов. «Тепловые акселерометры: принципы работы и схемотехника». // Журнал «Датчики и системы», № 4, 2019.
• MEMSIC Inc. «Thermal Accelerometer Technology Overview». — Техническая документация, 2005.
• B. De Marcellis, G. Ferri. «Analog Circuits for MEMS Sensors: Design and Applications». — Springer, 2014.