Czujniki MEMS napędzają rozwój rynku systemów wbudowanych

Fot. 1. LSM303DLH firmy STMicroelectronics - trójosiowy akcelerometr/magnetometr zintegrowany z logiką sterującą i interfejsem I²C

Prawidłowe tworzenie trójwymiarowych konstrukcji w tak niewielkiej skali wkrótce jednak okazało się możliwe w dziedzinie biomedycyny. Znalazły one zastosowanie tam, gdzie ich elektromechaniczne odpowiedniki wytwarzane w makroskali nie mogły być używane - np. w zakresie przesyłania przetwarzania płynów na poziomie komórkowym.

Technologię zaczęto później wykorzystywać głównie w ramach badań i diagnostyki medycznej. Oczekuje się, że te stosunkowo niszowe zastosowania ostatecznie rozwiną się na tyle, że można je będzie wykorzystywać w domowej, prywatnej aparaturze diagnostycznej.

O ile to ostatnie jest planem na przyszłość, technologia MEMS już pewien czas temu znalazła się na rynku masowym. Zastosowanie czujników opartych na MEMS w systemach wbudowanych gwałtownie wzrasta dzięki telefonom komórkowym oraz różnym innym niewielkim urządzeniom.

WYKRYWANIE RUCHU

Czujniki zawsze stanowiły istotny element większych systemów, szczególnie takich, w których kluczowe było bezpieczeństwo. Przykładowo czujniki magnetyczne są powszechnie używane, aby kontrolować, czy osłony zabezpieczające urządzenia mechanicznego są otwarte, czy zamknięte.

Jednak wraz z rozwojem technologii zyskują one na znaczeniu w innych urządzeniach, natomiast możliwość pełnej integracji czujników z takimi systemami od samego początku stanowiła podstawowy atut technologii MEMS.

Kluczowym elementem zastosowania każdego układu MEMS jest tworzenie złożonych urządzeń, których części mogą poruszać się swobodnie lub wzdłuż jednej, dwóch, a nawet trzech osi, w połączeniu z możliwością pomiaru tego ruchu i to bez względu na jego szybkość.

Typowe przykłady stanowią akcelerometry, żyroskopy i inklinometry, które mogą mierzyć ruch. Inne przykłady urządzeń obejmują MEMS z membraną wrażliwą na zmiany ciśnienia płynu, które są teraz wystarczająco niewielkie, aby stanowić część wszczepianych urządzeń medycznych.

AKCELEROMETRY I ŻYROSKOPY

Fot. 2. System ewaluacyjny dla cyfrowych czujników bezwładnościowych ADI iMEMS - kompletne rozwiązania umożliwiające szybką i łatwą konfigurację, analizę wydajności oraz wbudowanych funkcji wysokiej klasy czujników ADI

Czujniki ruchu stają się coraz popularniejsze również na rynku masowym. Akcelerometry, dawniej używane głównie w czujnikach poduszek powietrznych, można obecnie znaleźć w telefonach komórkowych, kontrolerach do gier i różnych urządzeniach wejściowych.

Jednym z najciekawszych przykładów jest wykorzystanie MEMS w kontrolerach bezprzewodowych, co pozwala graczom na bardziej przekonującą interakcję z ulubioną konsolą, na przykład z produktami Microsoft i Playstation. Kionix jest czołowym dostawcą urządzeń MEMS, które można znaleźć obecnie w wielu takich konsolach.

RS oferuje szereg trójosiowych akcelerometrów tej firmy, wraz z zestawami uruchomieniowymi i ewaluacyjnymi. Podobnie żyroskopy mają możliwość pomiaru niewielkich zmian orientacji w trzech osiach ruchu, tak jak dzieje się to na przykład w systemie sterowania samolotami.

W sprzęcie mobilnym żyroskopy z MEMS mogą być używane do wykrywania ruchu oraz przypadkowych lub zamierzonych zmian położenia - takich jak orientacja ekranu lub niedozwolony ruch części sprzętu. W połączeniu z czujnikami GPS czujniki MEMS mogą zwiększyć skuteczność sterowników nawigacyjnych - przykładowo kompasy oparte na MEMS są obecnie integrowane w telefonach komórkowych, co zapewnia prawidłową orientację mapy względem kierunku podróży.

PRZYKŁADOWE PRODUKTY

Przykładem akcelerometru MEMS jest LSM303DLH firmy STMicroelectronics. Jest to trójosiowy akcelerometr i trójosiowy magnetometr zintegrowany z logiką sterującą i interfejsem I²C. Urządzenie można tak skonfigurować, aby uruchamiało się w momencie wykrycia ruchu - na przykład podczas swobodnego spadku.

Kompleksowy zestaw ewaluacyjny LSM303DLH obejmuje mikrokontroler ST7-USB do połączenia z PC wraz z aplikacją eCompass i oprogramowaniem GUI. RS oferuje akcelerometry nie tylko od firmy ST, ale również wszystkich innych czołowych producentów. Różnią się one od siebie głównie czułością, a w związku z tym zakresem zastosowania.

Wspólnym mianownikiem jest zoptymalizowany format. Warto również zwrócić uwagę na produkty firmy VTI. Stworzyła ona szereg inklinometrów, które dokonują pomiarów w aplikacjach poziomujących, dzięki czemu znajdują zastosowanie w stabilizacji obrazu oraz sprzęcie produkcyjnym. Przykładowo jednoosiowy inklinometr SCA61T cechuje się rozdzielczością pomiaru 0,0025° oraz zakresem ±90° i oferowany jest również z zestawem ewaluacyjnym.

ZMIANY NA RYNKU

Fot. 3. Seria VTI SCA61T - gama jednoosiowych inklinometrów oparta na 3D-MEMS, przeznaczona m.in. do aplikacji poziomujących

Według firmy iSuppi obecnie ma miejsce szybki wzrost dostaw czujników MEMS, w tym akcelerometrów, żyroskopów, kompasów cyfrowych i czujników ciśnienia. W 2009 roku dostarczono 439 mln takich urządzeń, a do 2014 roku liczba ta ma wzrosnąć do 2,2 miliardów. Analitycy przewidują, że akcelerometry będą stanowiły 44% wszystkich czujników ruchu w telefonach komórkowych.

Do 2014 roku również 65% telefonów będzie wyposażonych w tego typu układy, podczas gdy w 2007 roku odsetek ten stanowił jedynie 2%, a w 2009 roku - 28%. Podobnie znacząco wzrośnie zastosowanie kompasów cyfrowych w celu uzupełnienia funkcji GPS - najpopularniejsze systemy operacyjne dla telefonii komórkowej (włącznie z Androidem i Mobile Windows 7 firmy Microsoft ) oferują wsparcie dla takiej funkcjonalności.

Również funkcje żyroskopu będą coraz częściej integrowane w telefonach, gdyż użytkownicy oczekują interfejsów z funkcją rozpoznawania gestów. Choć początki czujników MEMS na rynku nie wróżyły takiego sukcesu, obecnie ma miejsce nieprawdopodobny wzrost omawianej branży, głównie ze względu na popyt ze strony producentów systemów wbudowanych.

Ponieważ zapotrzebowanie na coraz bardziej wyrafinowane czujniki rośnie, firma RS będzie prowadzić sprzedaż niezbędnych produktów, które pomogą inżynierom zaadaptować tę ekscytującą i przełomową technologię.

Odo Akaji
RS Components
pl.rs-online.com