A nyomásszenzorok mellett a mikromechanikai szenzorok másik nagy csoportját a gyorsulás mérő szenzorok alkotják, amelyekben a nehézségi gyorsulás egy mikroméretű tömegre hat és felfüggesztése deformálódik. Vázlatos elrendezését a 10. ábra mutatja.
10. ábra. Mikromechanikai gyorsulásszenzor elvi felépítése
A tokozott mikroáramkörben m nagyságú szeizmikus tömeget rögzítünk, c rugóállandójú rugalmas felfüggesztésben, és a káros berezgések elkerülésére a rendszer b nagyságú (dimenzió nélküli szám) csillapítótagot tartalmaz. A szeizmikus tömeg a tér minden irányába elmozdulhat, az elmozdulás nagysága méri a gyorsulást, többnyire a nehézségi gyorsulást, amelynek földi értéke g. Gyártanak mindhárom irányban mérő gyorsulásszenzorkat, a működést itt az x irányban vizsgáljuk.
A nehézségi erő az m tömegre ható F erőt méri. Az erőmérést vagy útmérésre, vagy mechanikai feszültség mérésére vezetjük vissza. Állandó gyorsulásnál a gyorsulási erő az x kitérésű és c rugóállandójú rugó ellenerejével van egyensúlyban.
A rendszer mérési érzékenysége (S, az angol sensitivity rövidítéséből):
Ezt a deformációt négyféle módon szokták hasznosítani a mikromechanikai szenzorokban: kapacitív, piezorezisztív, piezoelektromos és termikus módon képzett mérőjellel.
A gyorsulásszenzoroknál a mérési tartományt a nehézségi gyorsulásra szokás vonatkoztatni, ennek mértékegysége a g (g= 9,81 m/s2), de használják ennek ezredrészét is, ezt mg-vel jelöljük. A mikromechanikai gyorsulásérzékelők élenjáró gyártója-fejlesztője a Bosch cég. Az 1. táblázatban a gyorsulásérzékelők mérési tartományaira láthatunk információt.
A gyorsulásszenzor elvi felépítéséből látható, hogy villamos mérőjel kétféle módon képezhető:
– mérjük az x(t) elmozdulást, vagy
– mérjük az F erőt.
A gyorsulásérzékelő tehát a már ismert erőmérés, ill. elmozdulásmérés, csak g értékre hitelesítve, azaz mérési elvként vagy a kitéréses, vagy az erőkompenzációs elvet választják. Előző esetben az FM erő hatására bekövetkező rugalmas alakváltozás nagyságát mérjük (UA), a másodikban szabályzókört használunk, és nem engedünk meg elmozdulást. Ekkor a visszacsatolt FK erővel kapcsolatos jellemzőt, például egy elektromágnes áramát mérjük (IA), amely arányos lesz a mérendő gyorsulással. Ez persze a rendszer sajátfrekvenciája alatt igaz, ez többnyire lehetséges. A mérési elveket a 11. ábra mutatja.
11. ábra. A gyorsulásmérőknél alkalmazott mérési elvek: a) elmozdulás mérés, b) erőmérés
Elsőként a kapacitív elven működő gyorsulásérzékelőt mutatjuk be, működését a 12. ábra mutatja.
12. ábra. Kapacitív elvű mikromechanikai gyorsulás érzékelő működése
Az eszköz MEMS technológiával készül, többnyire szilíciumból maga a szeizmikus tömeg és a rugalmas felfüggesztése is. A szeizmikus tömeg egy kondenzátor egyik fegyverzetét is tartalmazza (a gyakorlatban fésűs elrendezésben többet is), amely az álló rész másik két fegyverzetével kettős kondenzátort alkot. Alaphelyzetben (a) ábra) C1 és C2 kondenzátorok egyenlő kapacitásúak, erőhatásra a szeizmikus tömeg a rugós felfüggesztés ellenében elmozdul (lásd b) ábra), C1
Egyik élenjáró gyártó a Bosch. A 13. ábrán kapacitív elven működő MEMS gyorsulásérzékelőket láthatunk, a piacon sikeres BMA gyártmánycsaládból. Az a) ábrán a háromdimenziós érzékelő elhelyezése látható, a három irányra három érzékelő kell. Láthatóan az x irány a nyugalmi állapot, a nehézségi erő. A b) ábrán a mikrotokozású érzékelők láthatók, amelyeket az adatfeldolgozó szerelőlapra kell SMD forrasztással rögzíteni.
13. ábra. Háromdimenziós kapacitív gyorsulásérzékelő szenzor
Háromdimenziós kapacitív gyorsulásérzékelőt gyárt az STM is LIS2DU12 típusnéven, amelybe hőmérsékletérzékelő elemet is beépítettek, növelve az eszköz pontosságát és ipari felhasználhatóságát. Az eszköz mérete 2×2×0,27 mm, tokozása LGA-12L, és villamos kimenete digitális, I2C csatlakozású, tehát a legmodernebb technológia szerinti.
A másik szenzoros mérési módszer a szeizmikus tömeg nehézségi erő hatására történő deformáció mérése. Ez egyébként a hagyományosabb módszer, bár a mikrotechnológia itt is új szerkezeti felépítést alkotott, és precízebb, mérési célokra alkalmas szenzorok készülnek ilyen módon. A 14. ábra mutat két módszert ennek az erőnek mérésére piezorezisztív és piezoelektromos elven.
14. ábra. MEMS felépítésű elektromechanikus gyorsulásmérők: a) piezorezisztív, b) piezoelektromos
Az a) ábrán piezorezisztív erőérzékelést láthatunk. A merev fémkeretre (~2…4 mm) négy rugalmas tartóval felfüggesztik a szeizmikus tömeget, amelynek deformációját mikroméretű piezorezisztív elemek mérik, anyaguk főkén a félvezetőtechnikában egyébként is használt szilícium. A deformáció hatására a piezorezisztor ellenállása változik, amely az erővel arányos. Az így kialakított szenzor 3D irányban mér, amelyet a jelfeldolgozó áramkör alakít felhasználható formára. A piezorezisztor tehát lényegében egy ellenállás, amelynek az erőhatás folytán változik keresztmetszete, és ezáltal ellenállása, a hagyományos fizika tanítása szerint:
ahol ρ az anyag fajlagos ellenállása, l a mérőellenállás hossza, A pedig a keresztmetszet felülete.
A deformáció hatására a hossz növekszik, a keresztmetszet felülete pedig csökken, ezzel együtt az anyag fajlagos ellenállása is változik (anyagtól függően), ezt nevezzük tenzometrikus hatásnak. A két hatás együtt jelenti a piezorezisztív hatást, amelyből számítható a k bélyegállandó (a szakirodalomban angol nyelvhasználattal gauge-factor-nak is nevezik):
ahol ν a Poisson tényező, értéke szilíciumra hozzávetőlegesen 0,3, a fajlagos nyúlás pedig ε-al fejezhető ki:
Míg a hagyományos technológia szerint a nyúlásmérő ellenállást fémből készítik és a deformálódó mérőtestre ragasztják, addig az új félvezetős szenzoroknál ez már csak a nagy méretek miatt sem valósítható meg, és egyébként is egy szilícium (vagy más félvezető) áramkör részeként integrálják a rendszerbe. Az egyik legfontosabb, hogy ezeknél a bélyegállandót elsősorban a piezorezisztív komponens határozza meg, a tenzometrikus hatás szinte elhanyagolható. A piezorezisztív hatásból adódóan a bélyegállandó, vagyis a szenzor érzékenysége majdnem két nagyságrenddel nagyobb. Ez (a gauge-factor) azonban csak szűk tartományban tekinthető állandónak, ami nyilvánvalóan hátrányos tulajdonság. A 15. ábra mutatja a nyúlásmérő ellenállások érzékenységének változását fémes és félvezetős változatban.
15. ábra. A nyúlásmérő ellenállások érzékenységének változása (Tränkler: Sensoren)
A 15. ábrán jól látható, hogy a fémeknél valóban bélyegállandóról van szó, míg a félvezetőknél a bélyegállandó a megnyúlással változik. Ebből következik, hogy a félvezető bélyeg kifejezetten a kis alakváltozásokra alkalmas, ekkor a munkapont környezetében megengedhető a görbült karakterisztika egyenessel közelítése, azaz a bélyegállandó valóban állandónak tekinthető.
A mikroszenzoroknál a fémes alapú bélyegeket nagyon ritkán használják, annál gyakrabban előfordul viszont a félvezető anyag használata, már csak azért is, mert a szerkezeti anyag is leggyakrabban szilícium. Így logikus, hogy a szenzort is ugyanabból az anyagból alakítsák ki. A mikromechanikában nem ragasztják a bélyegeket a deformálódó elemre, hanem rendszerint annak anyagából állítják elő, abba integrálják.
A technológia során az ellenállás mértékét úgy növelik, hogy hosszát növelik, amelynek hatékony megoldása a meander alakzat, a hossz többszöröse érvényesül. A piezorezisztivitással rendelkező anyagok: szilícium (nill. p típusú Si), germánium (Ge), gallium-arzenid (GaAs), polikristályos szilícium (Si), indium-antimonid (n-InSb). A mérőtestet pedig úgy alakítják ki, hogy négy ellenállás alkossa az eszközt, amelyből kettő nyúlással, kettő pedig összenyomással (azaz hossz csökkenéssel és keresztmetszet növeléssel) növelje, ill. csökkentse ellenállását, amelyeket Wheatstone-hídba kapcsolva hatékony jelfeszültség vezérelje az elektronikát.
A 14. b) ábrán a piezoelektromos elven működő MEMS technológiával készült gyorsulásmérő vázlatos felépítését láthatjuk. Lényeges, hogy az F erőhatás egyenletes elosztása miatt egy járulékos tömeget kell alkalmazni, ami a dinamikai tulajdonságokat rontja. A keletkezett töltés:
ahol
q a keletkezett elektromos töltés
k anyagállandó
A a piezoelektromos anyag (kristály) felülete
A szenzorban tehát a szeizmikus tömeg ebben mikro méretű piezoelektromos elemet támad F erővel, amelyben az elem kapcsain az erővel arányos jelfeszültség keletkezik, amelyet mellé integrált elektronika dolgoz fel.
A piezoelektromos effektust használó eszközök általános tulajdonsága, hogy mivel működésük a töltés-szétválasztás elvén alapul, a keletkezett töltések előbb-utóbb elfogynak, emiatt alsó határfrekvenciájuk soha nem lehet zérus. A másik fontos tulajdonság, hogy a nagy piezoelektromos effektust mutató anyagoknál a környezeti hatások befolyása (hőmérséklet, légnedvesség) meglehetősen erős. Azoknál az anyagoknál viszont, amelyeknél a piezoelektromos állandó értéke kicsi, a környezeti hatások (például a hőmérséklet) befolyása is kicsi. Ilyen anyag például a monokristályos kvarc, és ezért készül kvarcból a legtöbb piezoelektromos szenzor.
A piezoelektromos effektus úgy jön létre, hogy az erőhatás az anyagrészecskék atomi szerkezetét módosítja. Ez lehet longitudinális és transzverzális is, a kvarc esetében például attól függően, hogy a szenzor mely kristálytani irány szerint van orientálva, a 16. ábra szerint.
16. ábra. Transzverzális (a) és longitudinális (b) piezoelektromos effektus (forrás: TU Ilmenau)
A piezoelektromos eszközöknek akarva-akaratlanul kapacitásuk van, a két fegyverzet és a közöttük lévő szigetelő tulajdonságú anyag dielektrikumként működve kondenzátort alkot. Ebből következően a töltésszétválasztás után a fegyverzetek között villamos feszültséget is lehet mérni.
A képletben C2 az eszköz saját kapacitása, amely a szükségképpen létrehozott kondenzátor tulajdonsága, és amely a piezo effektussal mindig együtt, attól szétválaszthatatlanul jelentkezik.
Tekintettel arra, hogy a piezo anyag szigetelő, a fegyverzetek között állandósult állapotban (statikus esetben) áram gyakorlatilag nem folyik. Dinamikus működtetéskor a piezo aktuátor kapacitív terhelésként jelentkezik, hiszen a kondenzátor feltöltéséhez és kisütéséhez töltések áramlására van szükség, ez jelent villamos áramot. A szenzorok gyártásához felhasználható anyagok a kvarc (SiO2), gallium-arzenid (GaAs), cink-oxid (ZnO), lítium-niobát (LiNbO3), lítium-tantalát (LiTaO3), ólom-cirkonát-titanát (PZT), polivinil-fluorid (PVDF).
A piezoelektromos elven működő szenzorok mérésére két lehetőség kínálkozik. Az egyik a nagyon nagy bemeneti ellenállással rendelkező ú. n. elektrométer erősítő, lásd 17/a) ábra. Ezek bemeneti ellenállása 1016 Ω (100 TΩ) körül van. A nagy bemeneti ellenállás azért szükséges, hogy a nagy bemeneti ellenállás miatt a bemeneti áram minél kisebb legyen, és minél kisebb mértékben fogyassza el azt a töltésmennyiséget, amely a piezo effektus következtében rendelkezésre áll. Más szavakkal kifejezve: minél nagyobb legyen az áramkör időállandója.
A másik módszer a piezo effektus során keletkezett töltések mérésére a töltéserősítő, amelynek vázlatát a 17/b) ábra mutatja. Ennek a mérési módszernek óriási előnye, hogy a műveleti erősítő invertáló bemenetén gyakorlatilag nulla a feszültség, tehát a piezo elem fegyverzetei között nincs feszültség, amely a töltések kiegyenlítésének az irányában hat. Az áramkör helyes működéséhez az kell, hogy a műveleti erősítő bemeneti árama minél kisebb legyen. A kimeneti feszültséget a CM visszacsatoló ágban lévő kondenzátor kapacitása határozza meg. (Az elektrométeres erősítő feszültségerősítése egységnyi. A piezoelektromos átalakítókkal elvileg sztatikus jeleket nem lehet mérni, ezért az alsó határfrekvencia 1…10 Hz között szokott lenni, ezért statikus gravitációs gyorsulásmérésre nem alkalmas, csak ütközések mérésére.
17. ábra. Piezoelektromos szenzorok jelfeldolgozása: a) elektrométer erősítő, b) töltéserősítő
A gyorsulásmérők egy újabb generációját képviselik a termodinamikai elven felépített gyorsulásmérők. Ennek lényege, hogy egy szűk térben egy gázbuborékot melegítenek fel egy fűtőtest segítségével. A felmelegített gázbuboréknak lesz egy helytől függő hőmérséklet eloszlása, a hőmérsékletet a szimmetrikusan elhelyezett (a 2.1. fejezetben bemutatott) hőmérséklet érzékelőkkel mérni lehet. Ez az eloszlás abban az esetben szimmetrikus lesz, ha nincs gyorsulás. Ha van laterális gyorsulás, a felmelegített gáz elmozdul, a szimmetria felborul, és a hőmérséklet eloszlása megváltozik. Ez a változás alkalmasan elhelyezett hőmérséklet érzékelőkkel jól detektálható. A gyorsulásmérő mikromechanikai kivitelű, igen kis méretekről, és igen kis fűtőteljesítményekről van szó. Alkalmazása kevéssé elterjedt, részletes bemutatására a vonatkozó szakirodalmat ajánljuk.
