Elektrotehnički fakultet u BeograduOdsek Signali i Sistemi

Semestralni rad iz Mikroelektro mehaničkih sistema:

MEMS i njegove primene u auto industriji-inercijalni MEMS senzori-

Student: Profesor :

Milošević Nikola 04/069 Zoran Jakšić

Beogradseptembar 2009.

1

1. Uvod...........................................................................................................................3

2. MEMS i Automoto industrija.....................................................................................5

3. Zahtevi Auto industrije..............................................................................................5

4. Oblasti primene MEMS senzora u AI........................................................................6

5. Akcelerometri i njihova primena u autoindustriji......................................................7

5.1 Princip rada akcelerometra...................................................................................7

5.2 Klasifikacija mikromašinski proizvedenih akcelerometara:................................8

5.3 Primena mikro-akcelerometara u auto-industriji i primeri.................................10

6. Žiroskopi i njihova primena u autoindustriji............................................................12

6.1 Koriolisov efekat i njegova primena na mikromašinski proizvedene žiroskope13

6.2 Klasifikacija mikro mašinski proizvedenih žiroskopa:......................................17

6.3 Primena mikro žiroskopa u auto-industriji i primeri..........................................18

7.Zaključak...................................................................................................................20

Literatura......................................................................................................................21

2

1. Uvod

Mikroelektromehanički sistemi (MEMS) predstavljaju integraciju mehaničkih elemenata, senzora, aktuatora i elektronike na zajedničkom silicijskom supstratukorišćenjem tehnologije mikofabrikacije. Dimenzije ovakvih uređaja se kreću u rasponu

a njihova rasprostranjenost u sistemima je od nekoliko jedinica do nekoliko miliona. Razvoj MEMS-a je usko povezan sa razvojem industrije integrisanih kola a ono što je odlikuje kao odvojenu industriju od navedene, je proširivanje tada već postojećih metoda i tehnika proizvodnje na proizvodnju mehaničkih elemenata kao što su mostovi,dijafragme,zupčanici i opruge.

Istorijski razvoj ovakvih uređaja uslovljen je nastankom prvih čipova i poluprovodnika,kao i integrisanih kola koji su uslovili korišćenje novih materijala, što je direktno uticalo na razvoj MEMS tehnologija. Konkretno prvi čipovi i integrisana kola su pravljena od germanijuma (Ge), da bi se zatim prešlo na novi materijal silicijum (Si) koga karakterišu osobine kao što je: čvrtsoća, otpornost na visoke temperature ,ne postojanje efekta histerezisa i shodno tome postojanje nulte disipacije energije, kao i velika upotrebna moc. Još jedna informacija koja može „na oko“ predstaviti silicijum kao savršeni elemen je njegov nadimak: “kralj provodnika“. Ipak možda i najbitnija karakteristika koja je dovela do potpunog prelaska na upotrebu silicijuma u ovoj oblasti je njegova minimalna cena. Prvi mikrosenzori koji su se pokazali uspešnim i koji su ušli u masovnu proizvodnju su bili silicijumski senzori pritiska. Konkretno ovi senzori su bili prvi koji su se bazirali na tada tek otkrivenom piezorezistivnom efektu i doneli su desetrostruko veći faktor naprezanja,odnosno desetostruko veću osetljivost koja je bila uslovljena izuzetno dobrim karakteristikama Ge i Si na ovom polju. Nakon ovoga i ulaska u masovnu proizvodnju ovako dizajniranih senzora, pojavio se i termin „mikromašintvo“ koji je služio da opiše fabrikaciju mikroelektromehaničkih delova proizvedenih za mikrosenzore od silicijuma, kao što su dijafragme u ulozi senzora pritiska i mostovi u ulozi akcelerometra. Nakon ovih jednostranih primena i uređaja koji su se u vreme pojavljivanja pronašli ulogu primarno kao senzori u teškoj industriji MEMS tehnologije su se razvijale i omogućile proboj MEMS industrije. Danas se kao MEMS senzori koriste široko rasprostranjeni u više oblasti kao što su: glave ink-jet štampača,klasični akcelerometri, minijaturni roboti, mikro motori, inercijalni senzori, mikroprenosnici, mikro ogledala, mikro aktuatori, pumpe, transduktori, kao i neki hemijski senzori, ali i senzori za pritisak i protok. Naravno ovo je samo kratko sumiranje oblasti u kojima je MEMS najzastupljeniji, a zbog svoje tehnologije koja je usmerena ka proizvodnji izuzetno malih uređaja, polje razvoja tržišta nije definitno već je orijentisano ka primeni MEMS tehnologija na već postojeće uređaje i principe i njihovo minimiziranje.

Osnovna prednost ovakvih uređaja je u tome što su oni u mogućnosti da registruju, kontrolišu i upravljaju mehaničkim procesima na mikro osnovi, i da funkcionisu kako pojedinačno tako i u nizu sa ciljem delovanja efektivno na makro skali. Ovakav uticaj i funkcionalnost je omogućena samim procesima fabrikacije koji imaju za ulogu da prave uređaje koji imaju jednostavnu ulogu i funkciju, međutim povezani sa ostalim uređajima daju poptuno novu dimenziju i kompleksnu strukturu koja rezultuje u obavljanju slozenih funkcija sa makro pogleda.

3

2. MEMS i auto industrija

MEMS uređaji su započeli ozbiljnu komercijalizaciju krajem sedamdesetih godina prošlog veka kao odgovor na zahtev industrije za novim senzorima pritiska. Veliku ulogu u razvoju i primeni MEMS tehnologije je imala i automobilska industrija koja je imala u to vreme najveći zahtev za ovim senzorima. Tačnije pojava senzora „cevnog“ pritiska (MAP senzor) 1979. godine je odigrala veliku ulogu u povezivanju ove dve grane. Ne možemo baš reći da su ove dve industrije u to vreme, a pogotovu ne danas bile tako cvrsto povezane, ali kako su MEMS tehnologije dozvoljavale masovnu serijsku proizvodnju bilo kakvog MEMS uređaja a sam razvoj automobilske industrije je u to vreme takođe išao u tom pravcu (ka masovnoj proizvodnji), možemo zaključiti da se tržište jedne i druge industrije indirektno preplitalo i predstavljalo je idealnu podlogu za dalju saradnju i razvoj. Naravno takođe treba napomenuti da MEMS baš u auto-industriji predstavlja jedan manji deo primenljiv na širok spektar aplikacija. Razloge za upotrebljivost MEMS-a u auto industriji možemo pronaći u sledećim karakteristikama MEMS-a a s druge strane u zahtevima auto industrije koji se maje više preklapaju. Auto-industrija je naime oduvek tragala za poboljšanjem performansi, smanjenju troškova i cena elemenata koji je sačinjavaju kao i poboljšanju pouzdanosti.MEMS uređaji su pored toga što su ovo omogućili već su i omogućili zamenu starijih, već postojećih tehnologija sa jeftinijim i pouzdanijim uređajima. Dakle stičemo zaključak da MEMS tehnologije i uređaji daju baš ono što treba auto-industriji.

Pored gore navedenog senzora pritiska koji je našao veliku primenu u auto-industriji, takođe su MEMS akcelerometri postali interesantni na polju sigurnosnih aplikacija kao što su vazdušni jastuci. Jedno vreme pored ovo dvoje nije bile preterano velike primene MEMS-a na ovom polju međutim to se promenilo baš iz gore navedenog razloga, tj. sposobnosti MEMS-a da se prilagodi skoro bilo kojoj vrsti industrije u smislu mogućnosti isporučivanja senzora mnogo manji dimenzija nego do tada postojećih a opet mnogo pouzadnijih i jeftinijih.

3. Zahtevi auto industrije

Zahtevi vezani za MEMS ali i za ostale uređaje koji svoju primenu nalaze na ovom polju su prvenstveno zahtevi za visoko kvalitetnim uređajima koji funkcionišu bez zakazivanja, rad u zahtevnom okruženju ali i kombinovana potreba za visokom pouzdanošću uz nisku cenu. Kompatibilnost ovakvih uređaja je omogućila zamenu već postojećih robusnih uređaja za mnogo manje i kompaktnije uređaje. Pored ovoga moramo specificirati kakvo je to zahtevno okruženje konkretno da bismo uvideli koje je jedno od najjačih oružja ove industrije i koji je razlog za njeno prisustvo u ovoj oblasti. Pod zahtevnih okruženjem u auto industriji pretežno možemo smatrati uslove „ispod haube“. Naime, visoke temperature , udari, vibracije, vlažnost, i korozija podižu standarde za dizajn i konstrukciju na potpuno novi nivo. Takođe velike serijske prozvodnje, male cene kao i osnovni zahtev automobilske industrije za uređajima koji su izdržljivi i pouzdani u rangu sa vojnim uređajima a sa cenom bliski potrošačkom produktu su ono što MEMS sam po sebi i predstavlja.

4

S obzirom da se počelo sa 1 senzorom krajem sedamdesetih (senzorom pritiska), sada se u automobilskoj industriji nalazi oko 50-100 senzora po vozilu, što je izuzetno značajan napredak i informacija koja ide u prilog značaju MEMS-a u ovoj industriji.

Oblasti u kojima su ovi uređaji najzastupljeniji su: senzori za prednje vazdušne jastuke, senzori monitori emisija štetnih gasova motora, GPS navigacija, senzori za detekciju velikih brzina i sprečavanje prevrtanja pri istim, itd. Kao što rekosmo ovo su oblasti u kojima su MEMS tehnologije najzastupljenije i opšte prihvaćene, pa kao takve stalno napreduju i predstavljaju polje konstantnog razvoja. Takođe postoje i ostali manje zastupljeni senzori.

4. Oblasti primene MEMS senzora u AI

Senzori koji se najviše koriste su pre svega akcelerometri, žiroskopi, senzori pritiska i protoka, IR senzori, inklinometri, mikrofoni, RF MEMS prekidači.

Upotreba akcelerometra je najviše izražena u aplikacijama kao što su: prednji i bočni vazdušni jastuci, detekcija prevrtanja, GPS navigacija, aktivno vešanje automobila. Žiroskopi se najviše koriste u GPS navigaciji, registrovanju prevrtanja (roll dettection) i sistemima za kontrolu dinamike vozila. Senzori pritiska svoju primenu pronalaze kao MAP i BAP senzori, zatim senzori za merenje isparenja, senzori za turbopunjače, HV AC kompresore, ubrizgavanje goriva, bočne vazdušne jastuke, zauzetost sedišta, ulje, tečnosti za hlađenje. MAP i BAP senzori imaju deformabilne dijafragme i rade na principima piezorestistencije ili kapacitivnosti. MAP senzori služe za regulisanje odnosa vazduh-gorivo u smeši koja sagoreva sa ciljem poboljšavanja i održavanja određenih normi zagađenja i efikasnosti utrošenog goriva dok BAP senzori služe za kompenzovanje smeše prema visini.

Kao posebnu vrstu senzora u ovom radu razmotrićemo inercijalne senzore u koje spadaju akcelerometri i žiroskopi pri tom ćemo i navesti neka interesantna rešenja koja su pronašla veliku primenu u autoindustriji

5

Slika 1. Primena senzora u autoindustriji

5. Akcelerometri i njihova primena u autoindustriji

Akcelerometri spadaju u grupu inercijalnih senzora i predstavljaju elektromehaničke elemente koji imaju za ulogu da mere ubrzanja bilo da su ona statička ili dinamička. Pod statičkim ubrzanjem podrazumevamo silu gravitacije koja konstantno deluje na sam akcelerometar dok pod dinamičkim ubrzanjem smatramo sile koje deluju pri kretanju ili vibracijama akcelerometra.

Merenjem količine statičkog ubrzanja pod uticajem gravitacione sile možemo odrediti ugao pod kojim se uređaj nalazi u odnosu na zemlju. Takođe merenjem količine dimačkog ubrzanja, možemo odreduti i način kretanja nekog uređaja.

Rad akcelerometra se zasniva na merenju sila inercije koje djeluju na instrument u toku kretanja. Na inercijalnu masu koja je slobodna da se kreće u samo jednoj dimenziji deluje ubrzanje tog smjera, i ona se pomiče u skladu sa trenutnim ubrzanjem. Pomeranje mase se registruje i dalje koristi za željenu namenu.

5.1 Princip rada akcelerometra

Akcelerometre možemo pojasniti koristeći mehanički model prikazan na slici. Tipični akcelerometar predstavlja strukturu koja sadrži “seizmičku masu” koja je obešena u vazduhu pomoću opruge ili odgovarajuće gredice, a uz prisustvo i odgovarajućeg prigušivača je učvršćena za određenu tačku.

Slika 2. šematski prikaz mehaničkog tipa akcelerometra

Povezućuji ovu strukturu na slici sa drugim Njutnovim zakonom, dobijamo mehaničku funkciju prenosa za akcelerometar:

6

gde predstavlja ubrzanje, pomeraj „seizmičke mase” , M masu, K koeficijent opruge, i D koeficijent prigušenja.

Ovaj model daje faktor kvaliteta:

i prirodnu rezonanciju

i statičku osetljivost

5.2 Klasifikacija mikromašinski proizvedenih akcelerometara:Načini rada ovakvih uređaja korišćenjem MEMS tehnologije su raznovrsni ali najkorišćeniji načini su oni koji uključuju upotrebu pijezorestivnosti i kapacitivnosti.

Pri konstrukciji akcelerometara vodi se između ostalog računa i o tome da li će biti analogni ili digitalni, zatim u 2 ili 3ose, količina sile koju mogu da registruju, opseg rada, itd.

Mikromašinski proizvedene akcelerometre prema načinu funkcionisanja delimo na:

Pijezorezistivni akcelerometri Kapacitivni akcelerometri Akcelerometri zasnovane na efektu tunelovanja struje Rezonantni Akceletrometri Ostali Akcelerometri

Pijezorezistivni akcelerometri koriste pijezorezistivni efekat koji predstavlja sposobnost određenih materijala da osete vibracije ili sile pod kojim dolazi do njihovog naprezanja, pri čemu se generiše napon. Ovi akcelerometri sadrže poluprovodničku gredicu koja radi kao opružni element. Takva gredica sadrži „seizmičku masu“ . Četiri ovakve gredice koje su osetljive prema naprezanju nalaze se u telu kristala i predstavljaju fizički integrisani deo gredice. Daljim povezivanjem sa Vistonovim mostom,dolazi se do transformacije naprezanja pri ubrzanjima i generisanja napona koji se očitava i dalje koristi.

Velika prednost ovakvih uređaja je jednostavna proizvodnja, i jednostavno očitavanje zasnovano na merenju rezistivnosti, međutim, veličina „seizmičke mase“, nešto je veća nego kod ostalih

7

tipova, smanjuje osetljivost a povećava osetljivost na temperaturu za razilku od kapacitivnih akcelerometara.

Slika 3. Pijezorezistivni akcelerometri sa difuzovanim i “cementiranim” poluprovodničkim naprezajućim komponentama

a-ubrzanje,1-“seizmička masa”,2-poluprovodnička gredica,3-keramička ili metalna gredica,4,5,6-difuzovani poluprovodnici,8,9,10 i 11 “cementirane” poluprovodnicke trake,12-kućište

Kapacitivni akcelerometri.Drugi način pravljenja akcelerometra se sastoji u korišćenju efekta promene kapacitivnosti kroz mikro fabrikovanu strkturu pod delovanjem sile ubrzanja i korišćenjem dodatnih kola za transformaciju te promene će se generisati napon koji se dalje može iskoristiti. Naime ovakve strukture imaju takođe seizmičku masu kao element koji „oseća“ ubrzanje i pri njemu se pomera,izaziva promenu kapacitivnosti nizmeđu provodne elektrode i te mase.Prednosti ovakvih akcelerometara su bolja osetljivost,manja zavisnost od šuma ali i mane to što su podložni uticajima EM polja.

Slika 4. Kapacitivni akcelerometar

Akcelerometri zasnovani na efektu tunelovanja struje obično sadrže „tunelski“ šiljak povezan sa pokretnom mikrostrukturom,kao i elektrodu postavljenu na „seizmičku masu“. Ova dva elementa se nalaze na udaljenosti od nekoliko Armstrong-a.Pri ovakvoj strukturi, i pri povezivanju elektrode sa jednosmernim konstantnim naponom dolazi do stvaranja struje u prostoru između vrha šiljka i elektrode veličine .Vrednost ove struje ostaje ne promenjena ukoliko su vrednosti napona i udaljenosti ne promenjene. Pri pomeranju „seizmičke mase“ pod uticajem ubrzanja kolo za očitavanje vrednosti, odeđuje promenu struje u tom slučaju i podešava napon potreban za vraćanje „seizmičke mase“ u stanje ravnoteže održavajući „tunelsku“ struju konstantnom. Daljim konvertovanjem ovih vrednosti se dolazi do potrebnih informacija o ubrzanju.

8

Slika 5. Akcelerometar zasnovan na principu „tunelovanja“ struje

Rezonantni akcelerometri napravljeni od silicijuma svoj rad zasnivaju na prenosu inercijalne sile detektovane od strane „seizmičke mase“ na rezonirajuće gredice i direktnom promenom frekvencije. Najveća prednost ovakvih uređaja je to što daju direktni digitalni izlaz.

Takođe pored upotrebe pijezorezistivnog efekta i kapacitivnosti, uobičajena je upotreba i nekih drugih metoda kao i optičkih materijala, prvenstveno zbog svojih karakteristika linearnosti i nezavisnosti od šuma.

5.3 Primena mikro-akcelerometara u auto-industriji i primeri

Upotreba akcelerometara u auto-industriji je u suštini uvek najviše bila orijentisana ka pasivnim sigurnosnim rešenjima kao što su vazdušni jastuci i pojasevi za vezivanje. Istorijski gledano upotreba ovih senzora se ustalila baš u oblasti zaštite putnika putem vazdušnih jastuka, jer pored pojavljivanja jednog jastuka kao zaštite za jednog vozača i jednog senzora ubrzanja koji je pokrivao tu funkciju, vremenom je došlo do ekspanzije upotrebe vazdušnih jastuka u smislu da se pored vazdušnog jastuka za vozača sada došlo do upotrebe vazdušnih jastuka za suvozača koje su pokrivali novi senzori, kao i do upotrebe bočnih vazdušnih jastuka i vazdušnih jastuka za stakla i kolena koje se opet morali da pokrivaju novi senzori. Bilo kako bilo, iako vazdušni jastuci i tehnologija koja ide uz njih predstavlja glavno tržište za ove senzore,oni nisu jedino polje na kojem se koriste. Pored toga ovi senzori pronalaze veiku upotrebu na sledećim poljima:

Sistemi za kontrolu dinamike vozila Sistemi za sprečavanje blokiranja kočnica Alarmni sistemi Kontrola aktivne suspenzije Sistemi za levelovanje prednjih farova

9

Kako ne bismo ostali uskraćeni za konkretan primer i kako bismo pojasnili pojasnili konkretnu upotrebu bez detaljnog ulaženja u ceo sistem, uzećemo primer akcelerometra za vazdušne jastuke. Naime akcelerometar u tom slučaju predstavlja senzor koji je ujedno i uređaj sa ulogom inicijalnog aktiviranja vazdušnog jastuka. Naduvavanje vazdušnog jastuka se dešava kada dođe do sudara automobila sa silom jednakom udaru u betonski zid pri brzini od 16-24 km/h. Nakon detektovanja ove sile dolazi do aktiviranja mehaničke poluge koja zatvaranjem električnog kola govori senzoru da je do sudara došlo. Senzori primaju informaciju od našeg akcelerometra koji je ugrađen u mikročip.

Slika 6. Ilustracija principa rada vazdušnog jastuka

Slika 7. Kompletan senzorski sistem za zaštitu pri sudaru upotrebom akcelerometra za delovanje vazdušnim jastucima

Napomenimo i razlog zbog kojeg su MEMS akcelerometri preuzeli primarnu ulogu i ovom vidu zaštite od sudara. Naime pre korišćenja ovakvih senzora „senzori“ vazdušnih jastuka su bili zasnovani na prekidačkim senzorima koji su jednostavno obezbeđivali informaciju o tome da li je doslo do udara ili ne i nakon toga reagovali. Naravno bilo je potrebno više ovakvih uređaja

10

kroz strukturu celog automobila, dok su MEMS akcelerometri obezbeđivali analogna merenja u kontinualnom vremenu i pored toga što su imali veću osetljivost, veću pouzdanost i manju cenu, bilo ih je potrebno mnogo manje nego starijih „prekidača“. Takođe zbog njihove visoke osetljivosti, mnogo je lakse definisati prag „okidanja“ i slanja informacije potrebne za aktiviranje vazdušnog jastuka.

Takođe ovi akcelerometri su pronašli veliku primenu u sistemima za podešavanje usmerenosti i jačine osvetljavanja prednjih farova. Naime korišćenjem ovih senzora moguće je proracunati ugao naginjanja vozila zavisno od zauzetosti sedišta i prtljažnika i pomoću implementiranih sistema obezbediti prilagođenje jačine farova i tako poboljšati sigurnost u vožnji noću u smislu manjeg ugrožavanja ostalih učesnika u saobraćaju.

Slika 8. Ilustracija pravca i nivoa vozila

6. Žiroskopi i njihova primena u autoindustriji

Žiroskop predstavlja mehanički uređaj koji služe za merenje ili održavanje orijentacije primenom principa ugaonog pomeraja i sila koje pri tome nastaju. Takođe spadaju u inercijalne senzore. Osnovna realizacija žiroskopa zasniva se na disku čija osovina omogućuje slobodno kretanje. Rotacija diska proizvodi inercciju koja osu rotacije diska u nedostatku spoljašnjih smetnji zadržava usmerenu u prostoru. Osim mogućnosti okretanja oko svoje ose, žiroskop može imati dodatne stepene slobode kretanja. Najveće prednosti žiroskopa su stabilnost i precesija. Stabilnost se ogleda u suprostavljanju žiroskopa spoljnim uticajima koji teže da mu promene položaj, a precesija predstavlja sposobnost žiroskopa da pri nasilnoj promeni položaja jedne njegove ose, skreće oko druge, njoj okomite ose.

11

Slika 9. Primeri žiroskopa sa različitim brojem stepeni slobode

Što se tiče žiroskopa izrađenih tehnologijom mikromašinstva možemo reći da se svi zasnivaju na upotrebi vibrirajućih mehaničkih elemenata koji se koriste za merenje rotacije.Oni sami po sebi nemaju rotirajuće delove koji zahtevaju kuglične ležajeve, i shodno tome mogu se veoma lako minimizirati i proizvoditi pomoću tehnika mikromašinstva. Svi vibrirajući žiroskopi koriste Koriolisov efekat koji predstavlja pojavu zakrivljenja pravolinijske putanje objekta koji se kreće u rotirajućem koordinatnom sistemu.

6.1 Koriolisov efekat i njegova primena na mikromašinski proizvedene žiroskope

Žiroskopi koji se koriste u auto-industriji su takozvani yaw-rate senzori. Naime, oni predstavljaju dostojnu zamenu za klasične mehaničke i fiber-optičke senzore koji su izzetno skupi i shodno njihovoj ceni koriste se prevashodno u vojsci i svemirskom inžinjerstvu. Oni mere Koriolisovo ubrzanje koje nastaje u toku rotacije pri oscilatornom kretanju. Oscilatorno kretanje mora biti obezbeđeno od strane senzora. Ovi senzori shodno tome sastavljeni su od dve komponente: komponente za detektciju i pogonske komponente. Eksitacija se može realizovati pomoću metoda primenjenih na piezorezistivne, elektrostatičke i elektromagnetske osobine strukture od kojih su napravljeni. Detekcija se vrši pomoću pijezorezistivnih, pijezoelektričnih i kapacitivnih metoda.

12

Postoji mnogo metoda i načina na koji se ovo sve može izvršiti ali mi ćemo ovde prikazati samo jedan primer i pojasniti celokupan princip.

Slika 10. Masa osciluje radijalno oko centra S i ubrzava tangencijalno pod uticajem Koriolisovih sila kada

dolazi do pojave ugla zaokretanja; , minimalno rastojanje; , maksimalno rastojanje; , tangencijalna brzina

mase usled zaokretanja; , radijalna brzina mase usled oscilovanja; , ugao zaokretanja.

Masa osciluje sa frekvencijom . Pri kretanju tipa zaokretanja oko centra S, masa se

pomera sa ugaonom brzinom . Kako udaljnost mase od centra S varira konstantno, se

kreće između velike trajektorije oko S, i minimalne . Kao rezultat brzina kretanja trajektorijom se takođe menja. Promena brzine je uzajamno povezana sa uglom zaokretanja što ćemo pojasniti matematičkim pristupom.

Generalno pozicija mase na slici se može prikazati kao:

gde je radijalni jedinični vektor, , .

Brzina predstavlja prvi izvod položaja:

13

gde

predstavlja tangencijalni jedinični vektor.Brzina ima tangencijalnu i radijalnu

komponentu.

Ubrzanje tela mase naravno predstavlja prvi izvod brzine u vremenu i može se izraziti kao:

Slika 11. Masa osciluje radijalno u odnosu na centar S sa frekvencijom radni zamah;

,Koriolisovo ubrzanje; ,radijalni ubrzanje: ,tangencijalna brzina

Tangencijalna komponenta je Koriolisovo ubrzanje i može se napisati kao

A još uopštenije Koriolisovo ubrzanje se može predstaviti kao:

Merenjem ovog ubrzanja , možemo izračunati signal koji je proporcionalan uglu zaokretanja. Pri konstantnom uglu zaokretanja ovaj signal je tipa sinusoide i amplituda ovog signala se povećava linearno sa frekvencijom i radnim zamahom . Radijalna komponenta je skoro

14

nezavisna od u skladu sa činjenicom da su standardne vrednosti zanemarljivo male, pa sledi da je

Ova formula pokazuje da je radijalno ubrzanje pomereno za u odnosu na željeni signal

i da se uvećava kvadratno sa .

Iz razloga simetrije senzori zasnovani na ovom principu se uglavnom prave u kao „ogledala”, tj. kao dva dela koja osciluju suprotno jedan drugom. Kao rezultat ovoga centar gravitacije ostaje nepromenjen, a uz korišćenje faznih pravila, ovo duplira željeni signal i eliminiše lateralna ubrzanja koja nastaju pri vožnji kroz krivine npr., i unose neželjeno dejstvo na rezultate.

Kao primer uzmimo zvučnu viljušku napravljenu od kvartza , čiji krajevi pod osciluju krajevima u suprotnom pravcu. Posmatrajući položaj vrhova, možemo lako prepoznati gore navedeni princip. Naime kada dođe do ugla zaokretanja, tj. kada ugao zaokretanja postane veći od nule, Koriolisova sila skretanjem krajeva izvodi ih iz oscilatorne ravni. Ovakav element se sastoji od metalne „zvučne” viljuške, na kojoj se nalaze 4 pijezorezistivna elementa, dva za detekciju, a dva za pogon. Locirani su u gornjem i donjem delu senzora, respektivno.

Slika 12. Yaw-rate senzor napravljen od piezo „zvučne“ viljuške. a) sa zakoretanjem b) bez zaokretanja 1,2 pravci zaokretanja;3, oscilovanje bez zaokretanja; 4 Koriolisove sile; 5,pijezo elementi za detekciju;6, pijezo elementi za pogon; 7, oscilacije pogona.

Pravljenjem senzorskog elementa u potpunosti od kvarca „zvučna” viljuška se koristi i za detekciju i za pogon zbog pijezorezistivnih karakteristika kvarca. Odgovarajuće elektrode obezbeđuju pogonske napone kao i registrovanje napona nastalog pod uticajem ubrzanja.

15

6.2 Klasifikacija mikromašinski proizvedenih žiroskopa:U osnovi žiroskopi se klasifikuju prema rangu i oblasti u kojoj se koriste, na žiroskope opšte namene, u koje spadaju žiroskopi koji se proizvode za klasičnu potrošačku industriju, kao što je između ostalog i auto-industrija, zatim na „taktičke” žiroskope, koji svoju primenu nalaze u vojnim oblastima (projektili), kao i na inercijalne žiroskope koji se koriste u moreplovstvu i potpunoj navigaciji.

Mi ćemo se na dalje u radu ograničiti samo na ove prve, žiroskope opšte namene, koji su najmasovniji i najkorišćeniji u auto-industriji ali i u ostalim oblastima.

Žiroskopi “zvučna viljuška”.Ovi žiroskopi sadrže parove “seizmičkih masa” koji osciluju sa jednakom amplitudom ali u suprotnim smerovima. Rotirajući, Koriolisova sila stvara ortogonalne vibracije koje se registruju pomoću raznih mehanizama. Pojedini žiroskopi koriste češljaste structure sa ciljem dovođenja viljuške u rezonanciju. Rotacija izaziva izlazak ovih “seizmičkih masa” iz ravni i dalje upotrebom raznoraznih mehanizama i elektronike dolazi do merenja.

Slika 13. Žiroskop tip „zvučna” viljuška

Žiroskopi sa vibrirajućim diskom: U ovom tipu žiroskopa disk vibrira oko svoje ose simetrije I rotira oko bilo koje ravanske ose, što izaziva pojavu nagiba kod diska, promenu koju je moguće detektovati izmeriti pomoću kapactivinih elektroda ispod diska. Moguće je vršiti merenja u dve ose rotacije pomoću jednog rotirajućeg diska.

Slika 14.Primer žiroskopa sa vibrirajućim diskom

16

Rezonirajući žiroskopi zasnovani efektu „vinske čaše“. Ovaj tip žiroskopa predstavlja rezonator zasnovan na efektu vinske čape. Proizveden od fuzionisanog silicujuma, ovaj uređaj je poznat i kao hemisferski rezonirajući žiroskop. U ovakvom žoroskopu, rezonantni prsten počinje da rezonuje a pozicije nodalnih tačaka daju ugao rotacije. Struja koja prolazi kroz provodne noge, stvara silu koja izaziva rezoniranje prstena. Ovo Koriolosom izazvano kretanje prstena se registruje i detektuje pomoću indukovanog napona.

Takođe postoje integrisani ugaoni žiroskopi u kojima je “seizmička masa” vezana za polisilicijumski okvir koji omogućuje rezonovanje samo u jednom pravcu. Kapacitivni silicijujski elementi sučvrsto povezani sa stacionarnim siliciujmskim gredicama prikačenim za substrat mere Koriolisovom silom izazvanim pomerajem rezonujuće sizmičke mase i njenog okvira.

6.3 Primena mikro žiroskopa u auto-industriji i primeri

Žiroskopi takođe u autoindustriji imaju primarnu funkciju u sigurnosnim sistemima. Upotreba žiroskopa je shodno njihovoj primarnoj funkciji određivanja orijentacije, najrasprostranjenija u sistemima za geostacionarno poziconiranje (GPS). Takođe aplikacije u kojima žiroskopi nalaze primenu su sistemi za kontrolu dinamike vozila, kao i detektovanje prevrtanja. Takođe treba napomenuti da se žiroskopi koriste implementirani sa nekim drugim senzorima u multisenzorskim sistemima. Jedan od njih je i gore navedeni sistem zaštite putem vazdušnih jastuka u kojima se pored akcelerometara koriste i žiroskopi povezani sa tim sistemom u cilju kontrole ABS sistema i ESC, tzv. sistema za kontrolu proklizavanja. Upotreba žiroskopa je izražena i u INS sistemima. U sistemima za zaštitu od prevrtanja žiroskopi mere rotacionu brzinu oko longitudinalne ose vozila i isto tako mere kretanje u slučaju prevtranja, a te informacije se dalje koriste u kocionim sistemima i sistemima za kontrolu proklizavanja za sprečavanje ovakvih situacija. Takođe u takvim situacijama žiroskopi šalju dovoljno informacija sistemima koji kontrolišu zategnutost pojaseva i pri navedenim situacijama ih dodatno zatežu kako bi povećali sigurnost. Alarmni sistemi takođe koriste žiroskope i inklinometre kao veoma pouzdane i osetljive senzore koji obezbeđuju maksimalnu sigurnost vozilima. Pri sistemima za kontrolu dinamike vozila žiroskopi zajedno sa senzorima za pozicioniranje točkova, akcelerometrima, senzorima pritiska kao i senzorima za upravljanje, koriste se u „paketu“ za kontrolu upravljanja pri vožnji.

Slika 15.Primena žiroskopa u GPS navigaciji i šematski prikaz sistema

17

Navigacioni sistemi: zasnivaju se na upotrebi kompasa, podataka u databazama i GPS sistemu. Kada se sistem aktivira i kada se uspostavi inercijalni pravac, informacije o tome kada i koliko se okrenulo(pomerilo) vozilo obezbeđuje žiroskop.Dalje na osnovu ovih informacija i signala koji obezbeđuje GPS signal, prema podacima iz databaze određuje se položaj vozila.

Takođe treba napomenuti da se žiroskopi kao i akcelerometri mogu praviti u više osa, od 1 pa do 3, međutim najkorišćeniji u ovoj oblasti su oni sa jednom osom. Osetljivost žiroskopa je takođe raznovrsna i povodi se prema zahtevima aplikacija u kojima se koristi.

Sistemi za kontrolu dinamike: VDC sistemi ili sistemi za kontrolu dinamike, pomažu vozaču u održavanju i povraćivanju izgubljene kontrole u toku vožnje. Sistem kao takav se sastoji iz žiroskopa, akcelerometra i senzora brzine koji se nalaze na svakom od točkova i istovremeno se koriste za ABS sisteme. Brzina točkova se meri i predviđeno zaokretanje vozila se poredi sa izmerenim od strane žiroskopa. Takođe akcelerometar obično dijazniran tako da meri male vrednost gravitacione sile se koristi sa ciljem odrešivanja da li vozilo klizi latelarno. Ukoliko se izmereno zaokretanje razlikuje od proračunatog ili pak se pak registruje lateralno kretanje vozila, dolazi do reagovanja od strane kočionih sistema raspoređenih na točkovima koji vraćaju vozilo na pravac. Što se tiče konkretnog tipa žiroskopa koji se ovde koristi, to je žiroskop koji sarži kvarcnu “zvučni viljušku”. Vibracija ove viljuške zajedno sa ugaonom rotacijom izaziva pojavu Koriolisovog efekta na samoj viljušci, i sile koja se može izmeriti pomoću akcelerometra prikačenog na nju. Izlazni signal je proporcionalan veličini viljuške. Da bi se generisao dovoljno jak signal, sama viljuška mora vibrirati izuzetno jako. Novija rešenja podrazumevaju rezonirajuće polisilikonske strukture napravljene od gredica koje sveukupno imaju velicinu oko 3mm. Ovakvi uređaji koriste kapacitivne akcelerometre za merenje Koriolisove sile.

U ovoj oblasti se upotreba akcelerometara i žiroskopa okazala veoma praktičnom i korisnom jer je unapredila zastarele upotrebe, skupih i robusnih akcelerometara i žiroskopa sa mnogo manjom pouzdanošću.

Detekcija prevrtanja: Ovi sistemi su pronašli veliku primenu u auto industriji i može se reći da je njihov proboj najviše napredovao zbog potrebe da se spreči prevrtanje vozila sa nešto pomerenijim centrom gravitacije kao što su kombiji i sportska vozila. Ovi sistemi funkcionišu tako što mere ugao rotacije i zaokretanja vozila (pomoću žiroskopa i akcelerometara) da bi se odredilo da li će se prevrnuti. Ukoliko detektuju mogućnost prevrtanja šalju dalje podatke sistemima za kočenje i kontrolu proklizavanja koji će sprečiti to, a ukoliko to ne urodi rezultatima, šalju informaciju sistemima koji kontrolišu aktiviranje vazdušnih jastuka što na kraju cini ceo jedan multi senzorski sistem.

18

7.Zaključak

Na kraju, možemo samo reći da oblast senzora u auto-industriji predstavlja jedno veoma privlačno polje razvoja, kako svojom inovatvnošću tako i multi-milionskim tržistem okarakterisanim sa visoko kvalitetnom serijskom proizvodnjom senzora koji moraju zadovoljiti veoma velike kriterijume po pitanju pouzdanosti i cene. MEMS senzori predstavljaju široko prihvaćenu industriju koja je u stanju da zadovolji i ove ali i neke druge manje važne zahteve postavljene u auto-industriji. Velika prednost ove inudstrije se može pronaći i u velikoj potražnji tržišta za mnogo sigurnijim rešenja od postojećih. Najveća prednost MEMS industrije i ovde navedenih senzora je u tome što iz dana u dan već postojeći senzori nalaze nove primene u kojima se mogu ustaliti, ali i pored toga postoji potražnja za novim rešenjima koja će se impementirati u već postojeća, radi poboljšavanja funkcionalnosti. Ta deviza, konstantan razvoj radi poboljšanja performansi, predstavlja pravo gorivo koje vodi MEMS industriju napred, ka poziciji industrije koja predstavlja nezaobilaznu stanicu na putu usavršenja efikasnosti, pouzdanosti i kvaliteta bilo koje industrije. Naravno moramo i reći da krajnji produkt MEMS-a, sam element za ugrađivanje u neki sistem, svojom cenom proizvodnje predstavlja mač koji kosi svu ostalu konkurenciju na polju ne samo dijagnostike koju smo u ovom radu delimično obradili već i na polju aktuatora koji su takodje našli svoje polje primene.

19

Literatura

(1) Marek, Trah, Suzuki, Yokomori eds - Sensors Applications 4 Automotive applications - Wiley-VCH 2003

(2) A Critical Review of MEMS Gyroscopes Technology and Commercialization Status - Steven Nasiri

(3) Valldorf, Gessner ed - Advanced Microsystems for Automotive Applications - Springer 2006

(4) Meyer, Valldorf, Gessner - Advanced Microsystems for Automotive Applications 2009. Smart Systems for Safety, Sustainability, and Comfort - Springer 2009

(5) Microsensors, MEMS and Smart Devices - Gardner Varadhan and Awadelkarim

(1) Practical guide to Accelerometers – source: www.sensr.com

(2) Tunneling Accelerometers Submitted by Samantha C. Cruz, Kevin P. Lee and Deepak Ponnavolu

(3) MEMS Accelerometers- Matej Andrejašić

(1) http://www.wikipedia.com(2) http://www.sensorsportal.com/(3) http://www.dimensionengineering.com/accelerometers.htm(4) http://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer(5) http://www.memsuniverse.com/?page_id=1548(6) http://auto.howstuffworks.com/airbag1.htm(7) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/gyr.html(8) http://www.sensr.com/pdf/practical-guide-to-accelerometers.pdf(9) http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/183(10) http://engenius.wordpress.com/2007/10/03/types-of-available-accelerometers/

20