A miniatűr szenzorok „felokosítják” a járműveket

A korszerű járművek helyes, gazdaságos és legfőképpen biztonságos működtetéséhez rendkívül sok és sokféle információt kell összegyűjteni, helyesen értékelni és ennek alapján helyes döntéseket kell hozni. Az információs lánc legelején azok az érzékelők vannak, amelyek a jármű számtalan fizikai paraméterét alakítják át digitálisan feldolgozható adatokká. A szenzorok közt ma már egyre nagyobb arányt képviselnek a mikro-elektromechanikai (MEMS) eszközök, amelyek közül cikkünk is bemutat néhányat.

Miközben számos érzékelőeszköz „szilíciumalapú”, van néhány olyan funkció is, amelyet csak mozgó mechanikus alkatrészeket felhasználva lehet megvalósítani. A legutóbbi időkben fontos szerepet kapott ezek miniatürizálása is annak érdekében, hogy ki tudják elégíteni a korszerű automotív alkalmazások igényeit.
A mikroméretű alkatrészek előállítására képes, korszerű gyártástechnológia és az elektronikus alkatrészek kombinációjával az érzékelőeszközök magas fokon miniatürizált megvalósításait egyetlen közös, szilícium hordozólemezen is el lehet készíteni. Ezek a mikro-elektromechanikai rendszereknek (MicroElectroMechanical Systems – MEMS) nevezett érzékelőeszközök nem csak számos új, a nagy mértékben automatizált járművekben alkalmazható érzékelési módszer megvalósítására kínálnak lehetőséget, hanem egyben nagy megbízhatóságot, hely- és költségmegtakarítást is jelentenek a gyártóknak.

1. ábra  Egy tipikus MEMS-alapú érzékelő vázlata a hozzá kapcsolódó jelkondicionáló áramkörökkel együtt

A piacon megtalálható számos MEMS-érzékelőtípus általában négy fő csoportba sorolható be:

• mozgásérzékelők: gyorsulásmérők és helyzetérzékelő giroszkópok,

• RF-érzékelők a tárgyak radaros elven történő detektálására,

• általános „fedélzeti” érzékelők – mint például az utastér hőmérsékletének és levegőminőségének mérése, az út infravörös tartományú leképezése és a szélvédőre vetített megjelenítés (Head Up Display – HUD) megvalósításának eszközei,

• áramlás- és nyomásérzékelés.

Egyszerű az összefüggés: minél több működési paramétert érzékelhetünk, annál többfélét felügyelhetünk és szabályozhatunk.
A MEMS-érzékelők ezen paraméterek körének jelentős bővítését teszik lehetővé, és gyakran a vezetéstámogatás rendkívül eltérő részterületein találnak alkalmazásra, mint az elektronikus menetstabilizálás (Electronic Stability Program – ESP) vagy a blokkolásgátlóval felszerelt fékrendszerek (Anti-lock Braking System – ABS), az automatizált kerékfelfüggesztés-vezérlés és az automatikus vezetéstámogató rendszerek (Automated Driver Assistance System – ADAS) bizonyos fajtái.
A MEMS-érzékelők nem csak a járműbiztonság fokozásában játszanak szerepet, hanem az üzemanyag-fogyasztás és a károsanyag-kibocsátás csökkentésében, valamint a vezető és az utasok kényelmének fokozásában is (1. ábra).

Mozgásérzékelés: gyorsulásmérők, giroszkópok és egyebek

A gyorsulásmérők számos feladatot láthatnak el a járművekben: mérhetik a gyorsulásnak, a fékhatásnak (a fékezéskor keletkező lassulásnak) a földi nehézségi gyorsuláshoz (g) viszonyított értékét és más, a jármű sebességéből és más objektumok távolságából kiszámítható paramétereket. Egyes MEMS-gyorsulásmérők a piezoelektromos hatást hasznosítják: a jármű mozgásállapot-változásakor ébredő erők mechanikai feszültséget keltenek a bennük kialakított kis méretű kristályszerkezetekben, amelyekben a mechanikai feszültséggel arányos villamos feszültség keletkezik. Más technológiákban kapacitív vagy termikus hatásokat használnak fel annak érdekében, hogy az adott alkalmazáshoz legalkalmasabb változatot kialakíthassák. Számos tényezőt kell eközben figyelembe venni, beleértve a rezonanciafrekvenciá(ka)t, az eszköz megbízhatóságát, a sávszélességet és az energiafogyasztást is.
Míg a gyorsulásmérők az egyenes vonalú mozgás változásait mérik, a giroszkópok feladata a forgó mozgás során fellépő, szögfok/s mértékegységben kifejezett szögsebesség vagy a másodpercenkénti fordulatszám (fordulat/s) érzékelése is. A megoldásválasztékból történő választás kritériumai hasonlók azokhoz, amelyeket a gyorsulásmérőknél már említettünk, de ki kell emelnünk az érzékenységet az elektromágneses zavarokra (Electro-Magnetic Interference – EMI), amely jelentős hatással lehet a mérés pontosságára.
E technológiák egyik legközönségesebb alkalmazása az ütközésdetektáló, amely azt érzékeli, ha a jármű jelentős ütközést szenved. A MEMS-alapú tehetetlenségi érzékelők (gyorsulásmérők és giroszkópok) segítségével az érzékelőmodul folyamatosan figyeli a jármű gyorsulását. Ha ez egy előre beállított értékhatárt meghalad, a modul mikrovezérlője a gyorsulásértékek integrálásával kiszámítja a sebességet és annak változását. Ha ez a változás jelentős és gyors (legyen akár egyenes vonalú vagy forgó mozgás), akkor a rendszer ezt ütközésként azonosítja, és megteszi azokat az intézkedéseket, amelyek az adott helyzetben elérhető legnagyobb biztonságot jelentik az utasoknak és a járműnek.

2. ábra  Az STMicroelectronics AIS1120SX áramkörének tömbvázlata

 
Az STMicroelectronics háromtengelyű gyorsulásmérőkből álló AIS1120SX/AIS2120SX termékcsaládja (2. ábra) különösen alacsony zajszintjéről, nagy felbontásáról és változatos energiatakarékos üzemmódjairól (beleértve a felébresztési lehetőséget is) ismert. Ezek a gyorsulásmérők olyan magas g-értékű gyorsulások mérésére alkalmasak, amelyek jellemzően egy jármű ütközésekor keletkeznek, és ezt a széles méréstartományt ugyancsak széles üzemi hőmérséklet-tartományban teszik elérhetővé. Ahol a legmagasabb fokú integrációra van szükség, a tervezők gyakran választják a hattengelyű iNEMO eszközöket, amelyek a háromtengelyű lineáris gyorsulásmérőkön kívül ugyancsak háromtengelyű giroszkópot is tartalmaznak egyetlen csipbe integrálva.
Az Analog Devices ADXRS910 MEMS-alapú giroszkópja még súlyosabb baleseteket is – mint például a jármű felborulása – jelezni tud. Az eszköz –40 °C… +105 °C hőmérséklet-tartományban működőképes, és egy integrált hőmérséklet-érzékelőt is tartalmaz, amellyel kompenzálni tudja a környezeti hőmérséklet változásait, ezzel a legmagasabb fokú stabilitást nyújtva. Fogyasztása nem éri el a 20 mA-t 3,3 V-os vagy 5 V-os tápfeszültségről, kis méretű SOIC-tokozatban kerül forgalomba és ±300°/s szögsebesség-tartományban képes mérni. A jármű többi részegységével SPI-interfészen keresztül kommunikál (3. ábra).

3. ábra  Az ADXRS910 szenzor IC tömbvázlata

Nyomásmérés és ultrahangos mérések

A járművek helyes és biztonságos működéséhez többféle folyadéknak kell rendelkezésre állnia, megfelelő mennyiségben: üzemanyag, hűtőfolyadék, kenőolaj, fékfolyadék, mosófolyadék stb. A biztonságos működés fenntartása érdekében ezeknek a folyadékoknak a szintjét ellenőrizni kell. Az e célra fejlesztett eszközök egy példája a Melexis cég által kidolgozott MLX90819 típusú szenzor (4. ábra). Ez az eszköz az emberi füllel nem érzékelhető ultrahangot használja arra a célra, hogy meghatározza a folyadék felszínének a szenzortól mért távolságát. A szenzort a folyadékot tartalmazó tartály legmélyebb pontján kell elhelyezni, és szükség van egy, a folyadék felszínén úszó alkatrészre is, amelyről az ultrahanghullámok visszaverődnek.
A repülési idő mérésén (Time of Flight – ToF) alapuló eljárás használatával nagyon pontosan mérhető az az idő, amely alatt a hanghullám a folyadék felszínén úszó céltárgyig és vissza terjed. Ez az idő a folyadékfelszínnek a szenzortól mért távolságától függ, és ebből – a tartály keresztmetszetének függőleges irányú eloszlása ismeretében – a folyadék térfogatának pontos értéke is kiszámítható. Ha a folyadék hőmérséklete megváltozik, a mérési pontosság a számos szenzorban jelen levő hőmérséklet-mérőátalakító mért értékét felhasználva kompenzálható, amellyel a mérési feltételek széles tartományában biztosítható a pontos mérés. Hasonló ultrahangos techológiákkal egy csőben áramló folyadék áramlási sebessége is meghatározható.
Sok rendszercsip (System-on-Chip – SoC) megoldás, például a MEMS-eszközök is, tartalmaznak egy precíziós analóg frontend áramkört, amelynek mérési pontossága a 10 mm…1 m-es mérési tartományon belül 1 mm. Ilyen eszköz a Texas Instruments TDC1000 típusú integrált áramköre, amelyet ultrahangos mérésekre és más hasonló alkalmazásokra optimalizáltak. Egy megfelelő mikrovezérlővel kiegészítve a TDC1000 teljes ultrahangos mérőegységet alkothat.

4. ábra  Az MLX90819 folyadékszintmérő áramkör tömbvázlata

Összefoglalás

A MEMS-technológia jelentősége egyre nő az automotív iparban, és ez számos paramétert tesz mérhetővé. Ezzel bővíthetők a jármű biztonsági rendszereinek képességei, de olyan további előnyökkel is szolgálhat, mint a gazdaságosabb működés vagy a nagyobb kényelem. Ahogy a járművek egyre gyorsabban fejlődnek a teljesen automatikus működés felé, a MEMS-eszközök is egyre fontosabb szerephez jutnak a jármű helyes – és ami még ennél is fontosabb –, biztonságos működésében.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Magyar nyelvű kapcsolat:
Maus Electronics Kft. – a Mouser (www.mausel.eu) hivatalos partnere
1034 Budapest, Bécsi út 100.
Tel.: +36 1 244 8412
Mobil: +36 20 777 1080
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
hu.mouser.com