您需要了解的用于状态监测的 MEMS 加速度计

市场上出现了许多采用微机电系统 (MEMS) 加速度计作为核心传感器的高度集成且易于部署的状态监测产品。 这些经济型产品有助于降低部署和拥有的总体成本，并在此过程中扩大可从状态监测计划中受益的设施和设备的范围。 与传统机械传感器相比，固态 MEMS 加速度计具有许多吸引人的属性，但不幸的是，它们用于状态监测的应用仅限于可以容忍较低带宽传感器用于产品（例如低成本、基于标准的智能传感器）的应用。 一般来说，噪声性能不足以满足诊断应用的要求，这些应用需要在更高频率范围和 10 kHz 以上的带宽内提供更低的噪声。 低噪声 MEMS 加速度计现已上市，噪声密度水平从 10 µg/√Hz 到 100 µg/√Hz 不等，但仅限于几 kHz 的带宽。 这并没有阻止状态监测产品设计人员使用噪声性能在他们的新产品概念中足够好的 MEMS，这是有充分理由的。 作为一种基于固态电子和内置半导体制造设施的技术，MEMS 为状态监测产品的设计人员提供了几个引人注目的宝贵优势。 撇开性能因素不谈，以下是状态监测领域的任何人都应该对 MEMS 加速度计感兴趣的主要原因。       图1。 惯性 MEMS 加速度计的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 多晶硅指悬挂在减压腔中以实现移动，并且与加速度成正比的电容由相邻的信号调节电子设备测量。 让我们从尺寸和重量开始。 对于机载应用，例如健康和使用监测系统 (HUMS)，重量极其昂贵，每磅燃料成本高达数千美元。 多个传感器通常部署在一个平台上，如果可以减轻每个传感器的重量，就可以减轻重量。 如今，采用表面贴装封装且尺寸小于 6 mm × 6 mm 的高性能三轴 MEMS 器件重量不到 XNUMX 克。 许多 MEMS 产品的这种小尺寸和高度集成的特性也使设计人员能够缩小最终封装的尺寸，从而减轻重量。 典型 MEMS 设备的接口是单电源供电，因此更易于管理，也更容易将其自身用于数字接口，这也有助于节省电缆的成本和重量。 固态电子器件也会影响换能器的尺寸。 较小的三轴安装在印刷电路板 (PCB) 上并插入适合在机器上安装和布线的密封外壳，有助于实现更小的整体封装，在平台上提供更大的安装和放置灵活性。 此外，当今的 MEMS 设备可以包括大量集成的单电压电源信号调节电子设备，提供具有极低功耗的模拟或数字接口，以帮助实现电池供电的无线产品。 例如，高分辨率、高稳定性三轴加速度计 ADXL355 集成 Σ-Δ 模数转换器 (ADC)，有效分辨率为 18 位，输出数据速率为 4 kSPS，功耗小于每轴 65 µA。 具有模拟和数字输出变化的 MEMS 信号调节电路的拓扑结构很常见，为传感器设计人员提供了多种选择，可以使传感器适应更广泛的情况，从而实现向工业环境中常见的数字接口的过渡。 例如，RS-485 收发器芯片随处可见，并且可以将 Modbus RTU 等开放市场协议加载到相邻的微控制器中。 完整的发射器解决方案可以使用小尺寸表面贴装芯片进行设计和布局，这些芯片可以安装在相对较小的 PCB 区域内，然后可以插入到可以支持需要密封或本质安全特性的环境稳健性认证的封装中。 MEMS 也已证明对环境变化非常稳健。 当今一代设备的冲击规格被声明为 10,000 g，但实际上可以承受更高的水平，而不会影响灵敏度规格。 可以在自动测试设备 (ATE) 上调整灵敏度，并将其设计和构造为随时间和温度稳定至 0.01°C，作为高分辨率传感器。 可以保证在宽温度范围内（例如 -40°C 至 +125°C）的整体运行，包括偏移偏移规格。 对于所有通道都在同一基板上的单片三轴传感器，通常指定 1% 的横轴灵敏度。 最后，作为设计用于测量重力矢量的设备，MEMS 加速度计具有直流响应，将输出噪声密度保持在接近直流，仅受电子信号调节的 1/f 角限制，并且通过精心设计，可以最小化到 0.01 Hz。 或许基于 MEMS 的传感器的最大优势之一是能够扩大制造规模。 自 1990 年以来，MEMS 供应商一直在为手机、平板电脑和汽车应用大量出货。 MEMS 传感器和信号调节电路芯片的半导体制造设施中的这种制造能力也可用于工业和航空应用，有助于降低总体成本。 此外，在过去 25 年中，超过 XNUMX 亿个传感器用于汽车应用，MEMS 惯性传感器的可靠性和质量已被证明非常高。 MEMS 传感器已启用复杂的碰撞安全系统，可以检测来自任何方向的碰撞并适当激活安全带张紧器和安全气囊以保护乘员。 陀螺仪和高稳定性加速度计也是车辆安全控制中的关键传感器。 当今的汽车系统广泛使用 MEMS 惯性传感器，以低成本和出色的可靠性实现更安全、更好的操控性汽车。 目前，对于许多应用的 MEMS 技术有着巨大的兴趣和投资。 除了 MEMS 的许多吸引人的品质之外，MEMS 惯性传感器还有助于缓解困扰其他材料和架构的许多质量问题。 MEMS 惯性传感器在要求严苛的消费、航空和汽车应用中使用已经超过 25 年，并且经受了高冲击和苛刻环境的考验。 MEMS 进一步渗透到需要更高性能的应用（例如状态监测）的时候到了吗？ 完全可以预期，MEMS 的性能将继续大幅提升，为状态监测设备的设计人员提供更多选择，并使新一代智能传感器、无线传感器和低成本、垂直集成的系统成为可能。

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