ООО ЭФО
Поиск по складу
Программа поставок 2016
Сегодня
www.powel.ru
источники питания
www.korpusa.ru
конструктивы и корпуса РЭА
www.wless.ru
беспроводные технологии
www.mymcu.ru
микроконтроллеры
altera-plis.ru
микросхемы Altera
www.infiber.ru
волоконно-оптические
компоненты в
промышленности
www.efo-power.ru
силовая электроника
www.efo-electro.ru
электротехническая
продукция
www.efometry.ru
контрольно-измерительные приборы
www.golledge.ru
кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
www.sound-power.ru
профессиональные усилители класса D
Поиск по сайту
Подписка на новости

Система менеджмента
качества сертифицирована на соответствие требованиям:
ISO 9001, ГОСТ Р ИСО 9001 и СРПП ВТ - подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации Русского Регистра, ГОСТ Р, международной сети IQNet, "Оборонсертифика" и "Военный Регистр".

ООО "ЭФО" в 2011г. получило Лицензию Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на изготовление оборудования для ядерных установок.


Rambler s Top100



ChipFind - поисковая система по электронным компонентам
EEN
webmaster
Санкт-Петербург: (812) 327-86-54  zav@efo.ru Москва: (495) 933-07-43  moscow@efo.ru Екатеринбург: (343) 278-71-36  ural@efo.ru Пермь: (342) 220-19-44  perm@efo.ru
Казань: (843) 518-79-20  kazan@efo.ru Ростов-на-Дону: (863) 220-36-79  rostov@efo.ru Н. Новгород: (831) 434-17-84  nnov@efo.ru Новосибирск: (383) 286-84-96  nsib@efo.ru
о нас склад библиотека статьи
 

Полупроводниковые датчики компании Моторола

Татьяна Кривченко,
Илья Чепурин,
март 2003г.
Содержание:

В настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области элементной базы измерительных систем является разработка полупроводниковых датчиков. Совершенствование полупроводниковых технологий открывает новые возможности для миниатюризации компонентов и реализации интегрированных решений для широкой номенклатуры изделий. Это приводит с одной стороны к удешевлению датчиков, а с другой - делает их более удобными и простыми в использовании.

Компания Моторола выпускает широкий спектр полупроводниковых датчиков. Это датчики давления и ускорения, специализированные микросхемы датчиков дыма и тревожной сигнализации, датчики изображения. Также идет работа по созданию новых продуктов, например, недавно был представлен бесконтактный датчик объема, способный по измерениям в слабом электрическом поле строить трехмерный образ объекта.

В данной статье мы дадим краткий обзор основных типов датчиков компании Моторола, их характеристик и областей применения, а также обозначим тенденции их развития.

Датчики давления

В наиболее широком ассортименте компания Моторола выпускает датчики давления. Полупроводниковая технология позволила создать упругий элемент датчика давления в виде кремниевой диафрагмы, непосредственно на которую методом ионной имплантации внедряют тензорезистивную структуру. Сцепление тензорезистора и кремниевой мембраны на молекулярном уровне позволяет исключить погрешности, связанные с передачей деформации от упругого элемента к тензорезистору.

Изготавливаемый таким способом монолитный кремниевый измеритель давления, запатентованный фирмой Моторола, получил название X-ducer из-за крестообразного расположения четырех выводов. Одна пара выводов элемента давления служит для подачи питающего напряжения, а на второй паре датчик развивает разность потенциалов, линейно зависящую от приложенного напряжения и механического давления.

Рис.1 Чувствительный элемент X-ducer

Кристалл датчика, объединяясь с подложкой, может образовывать абсолютный или дифференциальный чувствительный элемент (рис.2).

Рис.2 Дифференциальный (а) и абсолютный (б) чувствительные элементы

Внутри абсолютного элемента при помощи подложки образуется вакуумный промежуток, относительно которого и выполняются измерения. У дифференциального чувствительного элемента пространство открыто для поступления внешней среды с обеих сторон диафрагмы, но всегда оговаривается, что большее давление должно подаваться со стороны P1, а меньшее - со стороны P2.

Основным классификационным признаком для деления датчиков фирмы Моторола на группы является степень интеграции. Различают следующие типы датчиков:

  • некомпенсированные датчики (Uncompensated);
  • термокомпенсированные и калиброванные датчики (Compensated);
  • интегрированные датчики (Integrated);
  • медицинские датчики (Medical).

Простейшие некомпенсированные датчики содержат на кристалле собственно один элемент X-ducer.

Более сложные термокомпенсированные и калиброванные датчики включают также термисторы для коррекции температурной погрешности нуля и чувствительности датчика, а также дополнительные подгоночные резисторы, сопротивления которых в процессе производства подстраиваются лазером для минимизации разброса нулевого смещения и чувствительности датчиков от образца к образцу.

Наконец, в схему датчиков, которые называются интегрированными или датчиками со стандартным выходным сигналом, введен дополнительный усилитель, который приводит выходное напряжение датчика к стандартному входному диапазону интегральных АЦП.

Медицинские датчики по степени интеграции можно было бы отнести к термокомпенсированным датчикам, но они выделены в отдельную группу, поскольку их тип корпуса, рабочий и температурный диапазоны соответствуют специальным медицинским приложениям.

По виду измеряемого давления различают абсолютные (для измерения абсолютного давления), дифференциальные (для измерения разности давлений), относительные (для измерения избыточного над атмосферным давления) и вакуумные датчики (для измерения степени разрежения).

Датчики давления разделяют также по типам корпусов, в которые упаковываются чувствительные элементы. На рис. 3 показана внутренняя конструкция круглого базового корпуса. Видно, что чувствительный элемент приклеен к внутренней поверхности корпуса и защищен специальным гелем, который равномерно передает давление на мембрану и в тоже время изолирует выводы чувствительного элемента от внешней среды.

Рис.3 Конструкция базового корпуса

Кроме базового корпуса широко распространены и другие типы корпусов, предназначенные как для монтажа на поверхность, так и для пайки в отверстие (рис.4). Имеются корпуса с шагом выводов 2,54 мм (SOP и DIP) и с шагом 1,27мм (MPAK и SSOP). Корпуса медицинских датчиков выполнены из специальных нетоксичных, неаллергичных материалов, пригодных для дезинфекции и прошедших необходимые медицинские тесты. Кроме четырех или трех (у датчиков со стандартным выходным сигналом) рабочих выводов корпуса датчиков имеют дополнительные технологические выводы, которые используются во время лазерной подгонки внутренних резисторов.

Рис.4 Корпуса датчиков давления: (а) базовые корпуса, (б) SOP, (в) DIP,
(г) MPAK, (д) SSOP, (е) Medical Chip Pak

Рассмотренные типы корпусов не имеют специальных приспособлений для крепления датчика и для подвода среды, в которой измеряется давление. Для этих целей необходим внешний дополнительный порт. Моторола предлагает исполнения датчиков в корпусе без порта или с портом. На рис. 5 изображены корпуса датчиков с портами и указаны их обозначения, использующиеся при маркировке.

Рис.5 Порты датчиков давления Моторола:
а) одиночный порт для базового корпуса (суффиксы AP, GP);
б) дифференциальный порт для базового корпуса (суффикс DP);
в) порт "печная труба" для базового корпуса (суффиксы AS, GS);
г) аксиальный порт для базового корпуса (суффиксы ASX, GSX);
д) порт для корпуса MPak (суффикс AS/GS),
e) порт для корпуса SSOP (суффикс AC6);
ж) аксиальный порт для корпуса DIP (суффикс GС7U)
з) аксиальный порт для корпуса SOP (суффикс AC6/GC6)
и) одиночный порт для корпуса SOP (суффиксы AP/GP);
к) вакууумный порт для корпуса SOP (суффикс GVP);
л) дифференциальный порт для корпуса SOP (суффикс DP)

Датчик с дифференциальным чувствительным элементом может быть дифференциальным, относительным или вакуумным в зависимости от типа используемого порта. Дифференциальный датчик (суффикс DP) имеет два ввода для подачи среды с обеих сторон мембраны. Относительный датчик (суффиксы GP, GS, GSX) имеет один ввод для повода среды со стороны большего давления Р1 и отверстие в корпусе, через которое окружающий воздух свободно поступает с другой стороны мембраны. Вакуумный датчик (суффикс VP), наоборот, имеет ввод со стороны меньшего давления P2.

Сводная таблица 1 датчиков давления Моторола позволяет оценить их возможные диапазоны измерения. Видно, что пределы измерений абсолютных датчиков могут лежать в диапазоне от 100кПа до 700кПа. Дифференциальные датчики могут также иметь меньшие (до 4кПА) и большие (до 1000кПа) пределы измерения.

Таблица 1. Датчики давления компании Motorola
Тип датчика Рабочий диапазон, кПа Размах выходного напряжения, мВ Чувстви-
тельность, мВ/кПа
Нелинейность Температурная погрешность чувствительности, %/°С Тип измеряемого давления
A D G
Датчики без температурной компенсации (Uncompensated)
MPX10 0...10 35 3,5 ±1 -0,19   x x
MPX12 0...10 55 5,5 ±1 -0,19   x x
MPX53 0...50 60 1,2 -0,6...+0,4 -0,19   x x
Датчики с температурной компенсацией и калибровкой (compensated)
MPX2010 0...10 25 2,5 ±1 ±0.012   x x
MPX2050 0...50 40 0,8 ±0.3 ±0.012   x x
MPX2053 0...50 40 0,8 -0.6...+0.4 ±0.024   x V
MPX2100 0...100 40 0,4 ±1 ±0.012 x    
MPX2100 0...100 40 0,4 -0.6...+0.4 ±0.012   x V
MPX2102 0...100 40 0,4 ±1 ±0.024 x    
MPX2102 0...100 40 0,4 -0.6...+0.4 ±0.024   x V
MPX2200 0...200 40 0,2 ±1 ±0.012 x    
MPX2200 0...200 40 0,2 -0.6...+0.4 ±0.012   x V
MPX2202 0...200 40 0,2 ±1 ±0.024 x    
MPX2202 0...200 40 0,2 -0.6...+0.4 ±0.024   x V
Медицинские датчики (medical)
MPXC2011 0...10 25 2,5 ±1 ±0.03     x
MPX2300 0...40 3 0,075 ±1.5 ±0.1     x
Интегрированные датчики (integrated)
Тип датчика Рабочий диапазон, кПа Размах выходного напряжения, В Чувстви-тельность, мВ/кПа Суммарная приведенная погрешность, % Тип измеряемого давления
MPXV5004 0...3.92 3,9 1000 ±2.5   x V
MPXV4006 0...6 4,6 766 ±5.0   x V
MPX5010 0...10 4,5 450 ±5.0   x V
MPX5050 0...50 4,5 90 ±2.5   x x
MPX4080 0...80 4,32 54 ±3.0   x  
MPX4100 20...105 4,59 54 ±1.8 x    
MPX4101 15...102 4,59 54 ±1.8 x    
MPX4105 15...105 4,59 51 ±1.8 x    
MPX4115 15...115 4,59 45,9 ±1.5 x    
MPX4115 0...115 4,4 38,26 ±1.5     V
MPX5100 15...115 4,5 45 ±2.5 x    
MPX5100 0...100 4,5 45 ±2.5   x x
MPX6115 15...115 4,5 45,9 ±1.5 x    
MPX4200 20...200 4,59 25,5 ±1.5 x    
MPX4250 20...250 4,692 20 ±1.5 x    
MPX4250 0...250 4,705 18,8 ±1.4   x x
MPXH6300 20...304 4,6 16,2 ±1.5 x    
MPX5500 0...500 4,5 9 ±2.5   x x
MPX5700 0...700 4,5 6,4 ±2.5 x    
MPX5700 15...700 4,5 6,4 ±2.5   x x
MPX5999 0...1000 4,5 45,9 ±1.5   x  

Примечание:
A - абсолютный датчик
D - дифференциальный датчик
G - относительный (x) или вакуумный (V) датчик

Датчики давления Моторола имеют линейную характеристику преобразования со смещением нуля. В технической документации приводятся диапазоны возможных значений напряжения смещения, соответствующего нулевому давлению, и размаха выходного напряжения, соответствующего изменению входного сигнала во всем диапазоне измерений. Для исключения ошибок, связанных с разбросом номинальных значений начального смещения и чувствительности, в измерительном устройстве должны быть предусмотрены средства калибровки датчиков.

Составляющими погрешности датчиков давления Моторола являются нелинейность, гистерезис при изменении температуры и гистерезис при изменении давления, температурный дрейф начального смещения и чувствительности. Наиболее точные датчики cерии MPX4xxx и MPX6xxx имеют суммарную приведенную погрешность 1,5%.

Инерционность у всех типов датчиков характеризуется временем отклика на скачок входного сигнала 1 мс и временем, необходимым датчику, чтобы войти в рабочий режим после включения питания - 20мс.

Большинство датчиков давления Моторола предназначены для работы в сухом воздухе. Однако, теперь Моторола также предлагает датчики серии MPXAZ, обладающие повышенной защитой от воздействия среды благодаря введению дополнительного барьера. Эти датчики были разработаны для использования в условиях повышенного загрязнения воздуха на борту автомобиля.

В настоящее время прослеживается тенденция дальнейшей миниатюризации датчиков давления. Так, датчики в появившихся недавно корпусах MiniPack и SSOP c шагом выводов 1,27мм, являются более экономичными и предлагаются по более низким ценам. Появляются новые типы портов для этих миниатюрных корпусов. Развитие также идет по пути увеличения точности датчиков. Так, датчики нового подсемейства MPX6xxx имеют по сравнению со своими предшественниками лучшую термокомпенсацию в области верхней границы температурного диапазона. В ближайшее время ожидается появление датчиков семейства MPXY, которые объединяют в себе функции измерения давления и температуры. Они ориентированы на применение в системах контроля давления в шинах.

Трудно перечислить все возможные приложения датчиков давления Motorola. Они используются в автомобильной и авиационой технике, например, для построения индикаторов уровня топлива, в альтиметрах, измерителях давления масла, измерителях давления воздуха в шинах; в медицине для построения тонометров и спирометров; на производстве на основе датчиков давления строятся, например, уровнемеры, барометры, устройства контроля качества воздушных фильтров; датчики давления применяются также в бытовых пылесосах, стиральных машинах и даже для построения электронных ударных инструментов.

Датчики ускорения

Рис.6

Полупроводниковые акселерометры Моторола (или датчики ускорения) содержат емкостной чувствительный элемент и интегрированную на кристалле измерительную цепь, выполненную по КМОП технологии (рис.6, рис.7).

Емкостной чувствительный элемент G-cell является герметичным. Он представляет собой механическую структуру, выполненную при помощи полупроводникового процесса из поликремния. Дифференциальный чувствительный элемент имеет верхнюю и нижнюю неподвижные пластины и центральную пластину, закрепленную при помощи упругих элементов. Центральная пластина обладает сейсмомассой и может смещаться под воздействием ускорения. Четвертая пластина в составе чувствительного элемента предназначена для самотестирования целостности механической и электрической частей датчика.

Встроенная измерительная цепь выполнена на переключающихся конденсаторах и содержит интегратор, усилитель, ФНЧ, устройство температурной компенсации, тактовый генератор.

Рис.7 Функциональная схема датчика ускорения

Когда подвижная пластина занимает центральное положение, выходной сигнал равен половине напряжения питания. Измерительная цепь имеет логометрическую структуру, так что начальное смещение и чувствительность датчика линейным образом связаны с питающим напряжением.

Рис.8

Для того, чтобы воспользоваться функцией самотестирования датчика, необходимо подать высокий логический уровень на вход "self-test". Тогда блок тестирования прикладывает калиброванный потенциал к тестирующей пластине. Электрическое поле при этом смещает центральную пластину на заданную величину, и на выходе датчика, в случае исправности, появляется сигнал заданного уровня.

В зависимости от ориентации чувствительного элемента относительно корпуса, датчики ускорения могут в качестве рабочей оси иметь ось Z, ось X или они могут быть чувствительными по двум осям XY (рис. 8).

Из таблицы 2 видно, что Моторола предлагает акселерометры для измерения ускорений от 1,5g до 250g, с полосой пропускания до 400 Гц, требующих напряжения питания 5В и выпускаемых в корпусах DIP, SOIC или в корпусе с односторонним расположением выводов Wingback.

Кроме использования в качестве измерителей собственно ускорения и вибраций, акселерометры применяются также для определения абсолютного угла наклона. Если датчик ускорения расположен так, что его ось чувствительности перпендикулярна к поверхности земли, выходной сигнал соответствует ускорению свободного падения. При изменении угла наклона, выходной сигнал уменьшается в соответствии с U~g*cos(alpha) , где alpha - угол между осью чувствительности датчика и абсолютным вертикальным положением.

Таблица 2. ДАТЧИКИ УСКОРЕНИЯ МОТОРОЛА СЕМЕЙСТВА ММА
Тип датчика Рабочий диапазон (g) Чувстви-
тельность (мВ/g)
Ось чувстви-
тельности
Полоса пропускания (Hz) Нелинейность (%) Шум (мВ) Корпус
MMA1260D ±1.5 1200 Z 400 ±1 5 SOIC
MMA1270D ±2.5 750 Z 400 ±1 3.5 SOIC
MMA1250D ±5 400 Z 400 ±1 2.0 SOIC
MMA1220D ±8 250 Z 400 -1...+3 6,0 SOIC
MMA1201P ±40 50 Z 400 ±1 3,5 DIP
MMA2200W ±40 50 X 400 ±1 3,5 Wingback
MMA2201D ±40 50 X 400 ±1 2,8 SOIC
MMA3201D ±40 50 X, Y 400 ±1 2,8 SOIC
MMA2202D ±50 40 X 400 ±1 2,8 SOIC
MMA1200D ±250 8 Z 400 ±2 2,8 SOIC

Датчики ускорения широко применяются в автомобильной электронике для измерения ускорения автомобиля в различных направлениях, для измерения вибраций и контроля состояния шасси, в системах АБС, в системах защиты от опрокидывания и в противоугонных устройствах.

Также акселерометры находят применение в системах контроля состояния механических несущих, в системах регистрации ударов и вибраций, в спортивных диагностирующих приборах, в ударных выключателях.

Датчики дыма и тревожной сигнализации

Системы аварийной сигнализации необходимы в самых различных областях человеческой деятельности. При этом совокупность аварийных сигналов не зависит от вида аварии и может быть стандартизована. Подобная стандартизация позволила компании Моторола создать универсальную интегральную схему тревожной сигнализации МС14600, пригодную для работы с датчиками самых различных типов для сигнализации о возникновении разного рода аварийных ситуаций.

Функционально данная интегральная схема представляет собой датчик, срабатывающий при изменении сигнала на ее входе, причем порог срабатывания может быть установлен внешними элементами. Срабатывание датчика происходит и при снижении напряжения питания ниже установленного уровня. Основным сигналом тревоги является звуковой сигнал, создаваемый внешним трехвыводным пьезоэлектрическим генератором (сиреной), для управления которым МС14600 содержит специальный встроенный драйвер, который за счет замыкания петли обратной связи в случае тревоги удерживает этот генератор в автогенераторном режиме. Кроме того, есть еще обычный логический выход для подключения какого-либо электронного устройства обработки информации.

Интегральные схемы для датчиков дыма являются одной из разновидностей датчиков тревожной сигнализации. Поскольку системы пожарной безопасности появились уже достаточно давно и наиболее широко представлены на рынке систем аварийной сигнализации, для них были разработаны специализированные ИС, отличающиеся типом входного датчика, первичного источника питания и рядом эксплуатационных качеств. Компания Моторола производит подобные специализированные ИС уже более 15 лет и в ее портфеле есть целое семейство соответствующих устройств, характеристики которых приведены в таблице 3, а схема подключения приведена на рис. 9.

Рис.9 Схемы подключения датчиков дыма

Таблица 3. ИС Моторола для построения датчиков дыма и тревожной сигнализации
Ионные датчики
Обозначение Рабочее напряжение, В Тип модуляции сигнала тревоги Объединение в сеть Тип источника питания Тип корпуса
MC14467 6 to 12 Тональный сигнал 4/6 Нет DC DIP
MC14468 6 to 12 Тональный сигнал 4/6 Да AC/DC DIP
MC145017 6 to 12 NFPA 72, ISO 8201 Да DC DIP
MC145018 6 to 12 NFPA 72, ISO 8201 Да AC/DC DIP
Фотодатчики
Обозначение Рабочее напряжение, В Тип модуляции сигнала тревоги Объединение в сеть Тип источника питания Тип корпуса
MC145010 6 to 12 Тональный сигнал 4/6 Да AC/DC SOIC, DIP
MC145011 6 to 12 Тональный сигнал 4/6 Да AC SOIC, DIP
MC145012 6 to 12 NFPA 72, ISO 8201 Да AC/DC SOIC, DIP
Датчики тревожной сигнализации
Обозначение Описание Рабочее напряжение, В Тип модуляции сигнала тревоги Тип источника питания Тип корпуса
MC14600 Срабатывание по изменению порогового уровня, интегрированный драйвер сирены, светодиода, логический выход 6.0 to 12 Тональный сигнал 4/6 AC/DC SOIC, DIP

По типу входного датчика ИС Моторола различаются на ионные и фотодатчики. Ионные датчики реагируют на изменение тока, протекающего через ионную камеру, фотодатчики же содержат систему из светодиода и фотодиода, и срабатывают на снижение тока фотодиода при уменьшении оптической прозрачности камеры.

В зависимости от типа питающих цепей интегральные схемы датчиков дыма делятся на датчики с питанием от источника переменного или постоянного напряжения. Напряжение питания и для тех и других составляет от 6 до 12 В.

По эксплуатационным характеристикам датчики различаются типом выходного сигнала тревоги - после принятия национальным агенством пожарной безопасности США в 1999 г. новых требований к сигналам пожарной опасности (стандарты NFPA 72, ISO 8201) были разработаны интегральные схемы, удовлетворяющие этим требованиям и имеющие более мощный выход для подключения сирены.

Следует отметить еще одну особенность интегральных схем датчиков дыма и тревожной сигнализации - возможность объединения в сеть. Такая особенность позволяет подключать на одну линию до 40 датчиков, при этом сигнал, поступающий от любого из них, приводит в действие сигнализацию всех устройств. В результате об аварийной ситуации или пожарной опасности оповещается персонал, находящийся в любом помещении, где установлены датчики, объединенные в сеть.

Датчики изображения

Датчики (или приемники) изображения служат для преобразования видимого изображения в электрические сигналы. До недавнего времени по технологическим и экономическим соображениям на этом рынке доминировали приборы с зарядовой связью (ПЗС или CCD - Charge Coupled Device). Однако, из-за присущих им определенных проблем, самыми серьезными из которых являются специфическая, ни на что не похожая технология изготовления и чрезвычайно ж╦сткие требования к однородности исходного кремния и степени совершенства технологического процесса, они постепенно уступают пальму первенства устройствам, выполненным по КМОП-технологии. По сравнению с датчиками на базе ПЗС они имеют более простую структуру, единую для поля фотоэлеметов и прочей периферии, более экономичны по потребляемой мощности, но главное их преимущество - они производятся по традиционной КМОП-технологии, по которой выпускается большинство интегральных схем. Помимо существенно более низкой стоимости производства это позволяет реализовывать дополнительные функции непосредственно на кристалле датчика, снижая количество компонентов в системе, что также приводит к уменьшению конечной цены продукта.

Основным рынком для КМОП-датчиков является сектор бытовых устройств (фотокамеры, камеры для мобильных телефонов, Web-камеры), где наиболее важным фактором является цена, а не высокое качество изображения. Перспективным направлением является также использование КМОП-датчиков изображения в автомобильной электронике (камеры внешнего обзора и заднего вида в системах предотвращения столкновений, наблюдения за обстановкой в салоне или фургоне), чему способствует низкая стоимость датчиков, малое энергопотребление и возможность реализации дополнительных функций на одном кристалле.

Если сравнивать продукцию различных производителей датчиков изображения на базе КМОП-технологии, то основные различия здесь лежат в функциональности, которая может быть интегрирована на кристалле. В настоящее время довольно четко прослеживается тенденция к минимизации числа компонентов в системе, поэтому многие производители сосредотачивают свои усилия на создании датчиков изображения, представляющих собой своего рода интеллектуальную "камеру-на-кристалле", объединяющую в себе функции приема изображения и его последующей обработки. Компания Моторола имеет большой опыт разработки и производства различных микроконтроллеров и процессоров цифровой обработки сигналов, что позволяет ей производить датчики практически любой степени интеграции в соответствии с требуемой функциональностью.

В настоящее время датчики изображения компании Моторола представлены двумя разновидностями приборов, выполненных по субмикронной технологии ImageMOSТМ, сочетающей возможности приема изображения и высокую степень интеграции аналоговых и цифровых цепей обработки сигналов на одном кристалле. Это датчики формата VGA с разрешением 640х480 точек семейства MCM20014 и датчики формата SXGA с разрешением 1280х1024 точек семейства MCM20027. Сравнительные характеристики датчиков приведены в таблице 4, следует отметить, что датчики выпускаются как в монохромной, так и в цветной версии.

Таблица 4. Датчики изображения Моторола
Обозначение Размер изображения, мм Размер пиксела, мкм Разрешение, пиксел Частота смены кадров, fps Макс. тактовая частота, Мгц Напряжение питания, В Рассеиваемая мощность, мВт Тип корпуса
MCM20014 5.0 x 3.7 7.8 x 7.8 640 x 480 0 to 40 13,5 3,3 215 48 LLC
MCM20114 3.6 x 2.7 5.6 x 5.6 640 x 480 0 to 40 15 3,3 100 36 LLC
MCM20027 7.7 x 6.1 6.0 x 6.0 1280 x 1024 0 to 10 13,5 3,3 250 48 LLC

Рассмотрим отличительные особенности датчиков изображения Моторола на примере датчика MCM20027, функциональная схема которого приведена на рис. 10. Как видно, кроме матрицы фотоэлементов, на кристалле интегрированы цепи тактирования, управления считыванием и обработкой изображения, 10-разрядный АЦП, цепи первичной коррекции изображения и интерфейс I2C, который может использоваться для программирования датчика.

Нажмите на картинку для увеличения

Архитектура светочувствительных ячеек датчика, называемая Shared Floating Diffusion, была разработана совместно с фирмой Kodak Ее упрощенная схема представлена на рис. 11. Суть технического решения заключается в том, что фотодиоды соседних пикселов в ряду матрицы имеют общий затвор, с которого считывается сигнал, соответствующий интенсивности падающего светового потока.

Рис.11 Архитектура пикселов с "плавающим" затвором

Использование общего затвора снижает площадь, занимаемую одним пикселом на кристалле, в результате повышается коэффициент заполнения (т.е. увеличивается количество чувствительных элементов на единицу площади активного участка датчика), улучшается светочувствительность и снижается уровень шумов. Коэффициент заполнения для датчиков цветного изображения искусственно увеличен за счет встраивания слоя микролинз поверх матрицы фотоэлементов.

Помимо архитектурных особенностей в датчиках применен еще целый ряд решений, позволяющих получить качественное изображение. Например, для уменьшения уровня шумов датчика применяются технологии снижения шумов Correlated Double Sampling (CDS ) и фиксации уровня черного. Суть первой заключается в том, что считывание сигнала с пикселов производится дважды - первый раз в момент сброса, когда под воздействием света заряд в фотодиодах не накапливается, и второй - уже непосредственно в момент считывания изображения. Затем они взаимно вычитыются, в результате чего происходит подавление собственных шумов датчика. Для фиксации уровня черного используются пикселы, которые находятся по краям матрицы фотоэлементов и закрыты специальной маской, предотвращающей попадание на них света. Сигнал, полученный с этих пикселов, обеспечивает положительную обратную связь и фиксируется каждый раз перед очередным считыванием матрицы. Помимо этого, с помощью дополнительного регистра можно задавать определенный уровень смещения, что позволяет управлять фильтрацией нежелательных шумов.

В датчиках цветного изображения используется встроенный байеровский фильтр, обеспечивающий цветопередачу в палитре RGB, возможно использование другого фильтра для получения цветов в палитре CMYK. Для коррекции баланса белого в структуре датчика предусмотрены программируемые усилители сигнала, снимаемого с фотоэлементов матрицы. С помощью дополнительного встроенного программируемого усилителя можно управлять динамическим диапазоном получаемого изображения.

Полезной функцией является возможность адресации конкретных ячеек фотоэлементов (пикселов), что дает возможность реализовать функцию программируемого выделения "окна" с последующим увеличением изображения в этом окне.

В целом, датчики изображения Моторолы представляют собой практически законченное решение для реализации недорогих цифровых фото- и видеокамер, обладающих довольно широким набором функций. Если говорить о планах дальнейшего развития данного направления, то можно ожидать появления датчиков как с меньшей, так и с большей разрешающей способностью. Кроме того, планируется выпуск более функциональных устройств, объединяющих на одном кристалле непосредственно датчик изображения и специальный процессор для обработки фото-и видеоизображений.

Трехмерные датчики

В портфеле датчиков компании Моторола недавно появился новый интересный продукт - интегральная схема МС33794, представляющая собой бесконтактный датчик объема. Принцип его действия основан на измерении пространственного заряда в электромагнитном поле, создаваемом внешними электродами. Если в это поле поместить какой-либо объект, то по изменению пространственного заряда можно не только создать трехмерный образ объекта, но и следить за его перемещением.

MC33794 является практически готовым решением для использования в системах наблюдения за положением объектов в пространстве и беcконтактного мониторинга. Уже сейчас данная интегральная схема находит себе применение в таких приложениях, как управление раскрытием подушек безопасности в автомобиле, управление координатными станками, бесконтактный контроль уровня жидкости, различные беcконтактные выключатели, устройства типа touch-pad, системы контроля несанкционированного вторжения.

Подробную информацию о технических характеристиках датчиков компании Моторола, а также статьи по их применению с описанием основных схемных и конструктивных решений можно найти на сайте Сектора полупроводниковых компонентов www.mot-sps.com

Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola Motorola

© 1999-2016 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Контактная информация