Датчики Freescale Semiconductor

Датчики
Freescale Semiconductor

Серия «МИРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

Архипов А.М., Иванов B.C., Панфилов Д.И.

Москва 
ДМК Пресс, Додэка-XXI 
2023

2-е издание, электронное

УДК 621.375(03)
ББК 32.85
А87

А87
Архипов, Алексей Михайлович.
Датчики Freescale Semiconductor / А. М. Архипов, B. C. Иванов, Д. И. Панфилов. — 2-е 
изд., эл. — 1 файл pdf : 185 с. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — (Мировая электроника). — 
Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; 
экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-446-9

Обзор содержит основную информацию о датчиках Freescale Semiconductor. Представлены краткие 
теоретические сведения, отражающие общие принципы построения систем и тенденции развития 
приборов, которые помогут читателю лучше ориентироваться в информационных материалах. Таблицы 
с основными характеристиками приборов дают возможность предварительно выбрать необходимый 
тип датчика. Приводится и методика поиска подробной информации на веб-сайте Freescale, а 
также на сайте издательства, содержащем справочные данные по всем активным датчикам Freescale 
Semiconductor (Data Sheets) и статьи по их применению (Application Notes).
Книга предназначена для специалистов в области электроники, студентов технических вузов и 
широкого круга читателей, интересующихся устройствами обработки сигналов от датчиков физических 
величин.

УДК 621.375(03) 
ББК 32.85

Электронное издание на основе печатного издания: Датчики Freescale Semiconductor / А. М. Архипов, B. C. Иванов, 
Д. И. Панфилов. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2016. — 184 с. — (Мировая электроника). — ISBN 978-5-
97060-358-1. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, 
электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения 
информации, без письменного разрешения издательства.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, 
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-446-9
© Архипов А. М., Иванов В. С., Панфилов Д. И.
© Макет, Издательский дом «Додэка-XXI»
© Издание, ДМК Пресс, 2016

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Глава 1. Датчики ускорения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1. Приборы и датчики для измерения ускорения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. Развитие емкостных MEMSакселерометров фирмы
Freescale Semiconductor  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3. Семейство датчиков ускорения Freescale Semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4. Основные свойства и характеристики датчиков ускорения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5. Корпуса датчиков ускорения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6. Примеры применения датчиков ускорения в различных областях  . . . . . . . . . . . . . . 37
1.7. Выбор датчика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.8. Практика и примеры применения датчиков ускорения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.8.1. Измерение углов наклона объекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.8.2. Обнаружение свободного падения и защита жестких дисков . . . . . . . . . . . . . . 51
1.8.3. Счисление пути . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.8.4. Измерение ударного импульса  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.8.5. Использование оценочных плат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.8.6. Программа для отладки конкретных применений 
с использованием персонального компьютера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.8.7. Особенности практического применения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Глава 2. Датчики давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.1. Методика измерения давлений в текучих средах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.2. Области применения датчиков давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.3. Устройство и классификация датчиков  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.4. Корпуса, порты и крепление датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.5. Система обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.6. Основные характеристики семейств датчиков  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Глава 3. Датчики давления в автомобильных шинах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.1. Контроль давления в шинах. Системы TPMS  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.2. Виды систем TPMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.3. MPXY83xx — интегрированное решение для систем TPMS  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.4. Проблемы питания модулей TPMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Глава 4. Датчики приближения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.1. Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.2. Датчики приближения семейства MPR08x  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3. Средства разработки сенсорных панелей на базе датчиков приближения . . . . . . . 156

Приложение 1. Словарь терминов и обозначений для датчиков давления . . . . . . . . . . . . . 158
Приложение 2. Словарь терминов и обозначений для инерциальных датчиков . . . . . . . . 163
Приложение 3. Этапы «жизни» датчиков  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Приложение 4. Интерактивная программа выбора датчиков  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Материалы, представленные на CDдиске  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Приложения

Оглавление

Введение

Этот обзор можно было бы рассматривать как второе издание книги
«Датчики фирмы MOTOROLA», вышедшей в Издательском доме «ДодэкаXXI» в 2000 г., если бы жизнь за истекшее время не внесла существенных изменений в ситуацию.
Прежде всего сектор полупроводниковых компонентов компании
Motorola 
в 
2004 г. 
стал 
самостоятельной 
компанией 
Freescale
Semiconductor, оставив за собой весь сектор бизнеса, которым он занимался с 1953 г., в том числе и по датчикам. 
Кроме того, ассортимент компании существенно обновился и расширился, изменился и статус многих приборов:
1. Датчики ускорения. За время, прошедшее с 2000 г., число приборов в
этом секторе увеличилось с двух до нескольких десятков типов, и их
выпуск продолжает расти. Об этих датчиках рассказывается в гл. 1.
2. Датчики давления, которые находятся на пике своего развития. Хотя
новые типы датчиков появляются не так часто, тем не менее ассортимент изменился и в этом секторе. Эти датчики описаны в гл. 2.
3. Датчики давления в шинах TPMS. Хотя формально эти приборы относятся к датчикам давления, они представляют собой новый класс устройств, в которых в одном корпусе интегрированы датчики давления,
ускорения и температуры вместе с передающими и принимающими устройствами и микропроцессором. Этим перспективным датчикам посвящена гл. 3. 
4. Датчики приближения представляют собой новый сектор бизнеса, осваиваемый Freescale Semiconductor в настоящее время. Наиболее значительной областью применения для них стали сенсорные управляющие
панели таких портативных приборов, как мобильные телефоны, карманные компьютеры, MP3плееры и др. Приборам этого типа посвящена гл. 4.
5. Датчики тревожной сигнализации переживают в настоящее время пору
заката, они представляют интерес для ограниченного круга потребителей, применяющих их в существующих разработках. Информацию о
них можно найти в книге «Датчики фирмы MOTOROLA», полный
текст которой мы разместили на компактдиске, прилагаемом к книге. 
В приложениях читатель найдет полезную информацию, что поможет
правильно выбрать необходимый датчик. Приложения написаны на основе богатого информационного англоязычного материала, который нахоПриложения

Введение

Введение 5

дится на официальном сайте компании http://www.freescale.com. Для
удобства читателя этот материал размещен, кроме того, на компактдиске,
прилагаемом к книге. 
В качестве примера на Рис. В.1 показаны информационные материалы, которыми Freescale Semiconductor сопровождает датчики ускорения.

Рис. В.1. Информационные материалы, сопровождающие датчики 
Freescale Semiconductor.

Datasheets
MMA73x0L
Preliminary D/S
MMA7450L

Data Book
DL200

Selector Guide
SG1010
Application Notes
AN3397 Position Algorithms
AN3390 Brake Lamp

Fact Sheets
MMA73X0LFS
SNSRSOLUTNTMFS

Введение

Это прежде всего сборник Data Book DL200, содержащий подробную
справочную информацию Data Sheet (DS) по большинству датчиков. Новая информация, не вошедшая в Data Book, представлена на диске в виде
отдельных файлов. Для поиска датчиков служит руководство пользователя Selector Guide SG1010, содержащее краткую информацию обо всех датчиках. Краткая информация об основных свойствах конкретного датчика
содержится в информационном бюллетене Fact Sheet (FS). И наконец,
информация о специфике конкретных применений датчиков в различных
областях, содержащая теоретические сведения, методики и примеры расчета, схемы и программы, приводится в статьях по применению
Application Notes (AN).

1.1. Приборы и датчики для измерения ускорения 7

1.1.
Приборы и датчики для измерения 
ускорения

Изначально такие датчики применялись в авиации, где
они выполняли и выполняют роль измерителей ускорения
(акселерометров). Акселерометры в авиации предназначены для измерения ускорений летательного аппарата ЛА (самолета, вертолета и др.), необходимых для управления полетом по заданной траектории, определения координат ЛА в
пространстве, предотвращения больших перегрузок, действующих на экипаж и на сам летательный аппарат. По устройству акселерометр представляет собой грузик, подвешенный на пружинах внутри корпуса. При ускорениях летательного аппарата перемещение грузика передается на
стрелку прибора или преобразуется в электрический сигнал. 

Механические акселерометры. Механические акселерометры (например, акселерометры типа АМ10, применяемые в авиации) [Фридлендер] предназначены для определения перегрузок, действующих на ЛА в направлении его вертикальной оси (Рис. 1.1). Эти приборы относятся к
измерительным системам, которые используются для отображения полетной ситуации при ручном управлении полетом. Шкала прибора проградуирована в единицах, кратных

Г л а в а  1 _______________________________________________

Датчики ускорения

Глава 1. Датчики ускорения

величине ускорения свободного падения (g = 9.81 м/с2).
При отсутствии перегрузок (т. е. ускорений) стрелка указателя устанавливается на деление «+1» шкалы. В этом случае
прибор показывает величину ускорения силы тяжести g. 

Хотя такие датчики еще используются в простейших
моделях самолетов, внедрение автоматизированных систем
управления в авиации привело к появлению различных акселерометров с электрическим выходным сигналом.

Датчики с электрическим выходным сигналом. Для использования в электронных системах автоматического регулирования пригодны только датчики с электрическим
выходным сигналом. Общая схема таких датчиков с осью
чувствительности, направленной по горизонтали (осью Х)
[http://www.airwiki.org/breo/pnk/pnk6.html], 
представлена 
на
Рис. 1.2. 

Принцип работы такой структуры заключается в следующем. Если подвес не абсолютно жесткий, то чувствительный
элемент (ЧЭ) смещается за счет инерции в сторону, обратную
направлению ускорения. При этом за счет смещения на выРис. 1.1. Авиационный механический акселерометр: 
а) общий вид, 
б) кинематическая схема.

Ось

Зубчатый 
сектор

Грузик маятника, 
отклоняющийся 
под действием 
ускорения

Зубчатое 
колесо

Стрелка

Стрелка, 
фиксирующая 
максимальное 
значение ускорения

Пружина

а)
б)

1.1. Приборы и датчики для измерения ускорения 9

ходе преобразователя возникает электрический сигнал, который усиливается усилителем и может использоваться как
для ручного, так и для автоматического управления. 

Преобразователи датчиков с электрическим выходным
сигналом. Преобразователь смещения ЧЭ, показанный на
Рис. 1.2, может быть основан на самых различных физических принципах. В Табл. 1.1 приведены краткие характеристики различных типов преобразователей, используемых в
акселерометрах. 

Таблица 1.1. Преобразователи смещения ЧЭ в электрический сигнал

Рис. 1.2. Схема датчика с электрическим выходным сигналом.

п/п
Тип 
преобразователя
Принцип работы
Рисунок

1
Потенциометрический
ЧЭ связан с движком потенциометра, 
и при движении ЧЭ изменяется 
потенциал на выходе

Корпус

Упругий
узел подвеса

Преобразователь
механического
смещения ЧЭ
в электрический 
сигнал

Массивный
чувствительный
элемент

Усилитель
Uвых
U1

Х

RH

E

ΔR
R0

Глава 1. Датчики ускорения

На Рис. 1.3 представлен авиационный акселерометр
АДП, относящийся к первому типу (потенциометрический), в котором для повышения точности измерений ЧЭ устанавливается вблизи центра масс летательного аппарата. 

В таком акселерометре приложенное ускорение приводит к смещению грузика и связанного с ним движка потенциометра, что изменяет входной сигнал на усилителе. При
этом изменяется напряжение на исполнительном двигателе, который через редуктор поворачивает стрелку измерительного прибора и ось потенциометра обратной связи.
Сигнал с выхода усилителя может использоваться в качестве сигнала обратной связи при построении систем автоматического управления. Известные недостатки макромеханических систем, изготавливаемых по традиционной технологии (включая механические и электромеханические
системы), связаны с большим объемом и износом трущихся

2
Тензометрический

ЧЭ производит на резистивный 
элемент давление, под действием 
которого изменяется сопротивление 
этого элемента. При включении его 
в цепь делителя напряжений 
изменяется потенциал на выходе

3
Пьезоэлектрический

ЧЭ производит давление на 
пьезоэлектрический преобразователь. 
При этом на выходе пьезоэлемента 
генерируется ЭДС, 
пропорциональная оказываемому 
давлению. Преобразователь является 
генератором электрического сигнала 
и не требует внешних источников 
питания

4
Емкостный 

ЧЭ является одной из пластин 
конденсатора, емкость которого 
изменяется при смещении ЧЭ. Для 
преобразования величины емкости в 
потенциал используется источник 
тока с заданной длительностью 
импульса

(продолжение)

п/п
Тип 
преобразователя
Принцип работы
Рисунок

RH
E

R0 ± ΔR

RH
E(g)

чэ

R0 ± ΔR
Δ U = 

c
I

It
—
 C

1.1. Приборы и датчики для измерения ускорения 11

поверхностей. С развитием современных высоких технологий появились новые системы, сочетающие микромеханические и микроэлектронные устройства, сформированные
на одном кремниевом кристалле. Такая технология получила название «технология MEMS» (MicroElectroMechanical
Systems — микроэлектромеханические системы).

Датчики, использующие технологию MEMS. Развитие
датчиков с использованием технологии MEMS инициировали автомобильные компании, для которых масса,
объем и стоимость датчиков были более критичны, чем
для авиационных лайнеров, а объем рынка постоянно рос,
обеспечивая достаточные прибыли для проведения исследовательских работ. Для технологии MEMS наиболее перспективными оказались тензометрические, пьезоэлектрические и емкостные датчики, которые оказалось возможным 
сформировать 
в 
поверхностных 
и 
объемных
структурах кремниевой пластины. В настоящее время все
эти датчики разрабатываются различными компаниями,
занимая собственные ниши в разных областях применения. На Рис. 1.4 представлена качественная зависимость
точности от цены для датчиков MEMS различных типов
[http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_01/stat_66.htm].

Рис. 1.3. Электрокинематическая схема дистанционного акселерометра АДП.

Потенциометр
обратной связи

Редуктор

Исполнительный
двигатель

Груз

Усилитель

Шкала и стрелка
акселерометра

27 В

115 В

400 Гц

ПП2

R1

ПП1