CMS300 : capteur combiné MEMS monoaxe (dans le plan)

Le CMS300 mesure la vitesse angulaire autour de l’axe Z, perpendiculaire à la carte électronique sur laquelle il est monté, tandis que les axes X et Y de son accéléromètre restent parallèles à la carte. Cette disposition permet de réunir une voie de mesure de rotation et deux voies de mesure d’accélération linéaire dans un seul composant monté en surface. Un seul CMS300 ne mesure pas la vitesse angulaire autour des trois axes de rotation : la conception d’un gyroscope multiaxe nécessite donc des capteurs supplémentaires ou une configuration orthogonale complémentaire. Sur le CMS390 de la même famille, le boîtier est orienté différemment, de sorte que l’axe de mesure de vitesse angulaire est parallèle à la carte. Les ingénieurs doivent donc choisir l’orientation du boîtier en fonction des axes requis par le système avant de finaliser le routage du circuit imprimé.

Choisissez la plage la plus faible qui couvre les mouvements maximaux prévus pour l’application, en tenant compte des conditions transitoires et d’une marge de conception. À ±150 °/s, le gyroscope offre une résolution nominale de 0,005 °/s et une sensibilité de 204,8 lsb/(°/s), contre 0,01 °/s et 102,4 lsb/(°/s) à ±300 °/s. La plage de ±2,5 g de l’accéléromètre offre une résolution de 0,079 mg et une sensibilité de 12 800 lsb/g, contre 0,313 mg et 3 200 lsb/g pour la plage de ±10 g. Les bandes passantes disponibles sont de 45, 55, 90 et 110 Hz pour le gyroscope, et de 45, 62, 95 et 190 Hz pour l’accéléromètre. Le réglage indépendant des canaux permet d’équilibrer le bruit, le temps de réponse et la marge de surcharge séparément pour chaque axe de mesure.

Le CMS300 fonctionne sous une tension de 2,7 V à 3,6 V, mais les performances spécifiées sont définies sur une plage plus étroite, de 3,15 V à 3,45 V. Son courant de fonctionnement et son courant de démarrage sont limités à 8 mA, hors courant de charge initial des condensateurs de découplage externes. La communication repose sur une liaison SPI à quatre fils en mode 0, avec des messages de 32 bits, une fréquence de transmission des messages de 1 Hz à 10 kHz et une fréquence d’horloge de 100 kHz à 7 MHz. L’alimentation nécessite un condensateur de découplage local de 100 nF et un condensateur réservoir de 10 µF placé à proximité, ainsi qu’un condensateur supplémentaire de 100 nF pour la référence interne. Ces limites doivent être prises en compte dans la conception du système, notamment pour les temporisations du processeur, l’intégrité de l’alimentation et le démarrage, plutôt que d’être considérées comme des valeurs nominales interchangeables.

Le composant fonctionne de -40 °C à +125 °C, mais chaque spécification de dérive doit être vérifiée en fonction de l’intervalle de température indiqué. La variation du biais du gyroscope en fonction de la température est généralement de ±1,0 °/s et ne dépasse pas ±1,75 °/s. La variation de son facteur d’échelle est généralement inférieure à ±1 %, avec un maximum de ±2,0 %. Pour l’accéléromètre, la variation du facteur d’échelle est généralement de ±1 % et peut atteindre ±2,5 % ; le comportement du biais dépend également de la plage sélectionnée, ±2,5 g ou ±10 g. Les valeurs publiées de variation du biais d’accélération, de ±30 mg et jusqu’à ±75 mg, sont spécifiées de -40 °C à +85 °C, et non sur l’ensemble de la plage de fonctionnement. Les conceptions qui exigent une meilleure précision absolue doivent donc intégrer un étalonnage tenant compte de la température ou une compensation au niveau du système.

Le boîtier LCC en céramique de 10,4 × 6,0 × 2,2 mm est conçu pour un montage en surface classique. Le défaut d’alignement maximal du gyroscope et de l’accéléromètre par rapport au boîtier est spécifié à ±1,5 %. Les pistes de signal ou d’alimentation passant sous l’accéléromètre capacitif peuvent décaler le biais d’accélération ; il convient donc, dans la mesure du possible, de laisser libre la zone située sous le boîtier. Si ce routage ne peut être évité, le décalage qui en résulte peut être caractérisé et corrigé au niveau du système. Les plages de fixation centrales et latérales assurent le maintien mécanique et doivent être soudées à des plages du circuit imprimé isolées électriquement. Un placement contrôlé standard suffit généralement, mais les applications soumises à des exigences d’alignement plus strictes doivent prévoir un étalonnage de la carte assemblée pour corriger l’erreur résiduelle entre axes.

L’autotest déclenché sur commande applique des décalages définis aux sorties de vitesse angulaire et d’accélération, tout en modifiant les indications d’état BIT. À 25 °C, la réponse nominale du gyroscope est de +64 °/s sur la plage de ±150 °/s et de +107 °/s sur la plage de ±300 °/s. La réponse nominale en accélération est de +1,25 g ou de +6,2 g selon la plage. La variation de ces réponses en fonction de la température est encadrée par des limites distinctes, ce qui permet au micrologiciel d’utiliser des fenêtres d’acceptation propres à chaque plage plutôt qu’un seuil fixe unique. La broche de sortie BIT et les messages d’état SPI permettent d’identifier les défauts internes, les commandes non valides, les erreurs d’horloge SPI et les erreurs de mémoire non volatile (NVM). En pratique, les contrôles doivent être exécutés au démarrage et à intervalles contrôlés, lorsque le décalage temporaire introduit par le test ne risque pas de perturber les fonctions de commande normales.

Le nettoyage par ultrasons est à proscrire, car l’énergie acoustique peut exciter la structure MEMS à sa fréquence de résonance propre ou à une fréquence proche. L’assemblage doit respecter le profil de refusion défini et la disposition spécifiée des plages de soudure, sans estimer les paramètres du procédé à partir des dessins du boîtier ou du profil. Le boîtier céramique hermétique est conçu pour fonctionner jusqu’à 90 % d’humidité relative, sans condensation. Les limites mécaniques comprennent une tenue aux chocs de 95 g en fonctionnement pour une impulsion demi-sinusoïdale de 6 ms, et de 10 000 g hors tension pendant 0,5 ms. La protection contre les décharges électrostatiques est spécifiée à 2 kV selon le modèle HBM et à 250 V selon le modèle CDM. Pour l’assemblage en série, le composant est disponible en bande sur bobine, à raison de 1 500 unités maximum par bobine.