Čo potrebujete vedieť o akcelerometroch MEMS na monitorovanie stavu

Na trhu sa objavuje mnoho vysoko integrovaných a ľahko nasaditeľných produktov na monitorovanie stavu, ktoré využívajú ako hlavný senzor akcelerometer s mikroelektromechanickým systémom (MEMS). Tieto ekonomické produkty pomáhajú znižovať celkové náklady na nasadenie a vlastníctvo a zároveň rozširujú priestor zariadení a vybavenia, ktoré môžu ťažiť z programu monitorovania stavu. Akcelerometre MEMS v pevnej fáze majú v porovnaní so staršími mechanickými senzormi veľa atraktívnych vlastností, ale bohužiaľ ich použitie na monitorovanie stavu bolo obmedzené na aplikácie, ktoré dokážu tolerovať použitie senzorov s nižšou šírkou pásma pre produkty, ako sú lacné inteligentné senzory založené na štandardoch. Vo všeobecnosti nie je výkon šumu dostatočne nízky na to, aby slúžil diagnostickým aplikáciám, ktoré vyžadujú nižší šum vo vyšších frekvenčných rozsahoch a šírkach pásma nad 10 kHz. Nízkošumové akcelerometre MEMS sú dnes dostupné s úrovňami hustoty hluku od 10 µg/√Hz do 100 µg/√Hz, ale sú obmedzené na niekoľko kHz šírky pásma. To nezabránilo návrhárom produktov na monitorovanie stavu v používaní MEMS s hlučnosťou, ktorá je dostatočne dobrá v ich nových produktových konceptoch a z dobrého dôvodu. Ako technológia založená na polovodičovej elektronike a vstavaných zariadeniach na výrobu polovodičov ponúka MEMS niekoľko presvedčivých a cenných výhod pre dizajnérov produktov na monitorovanie stavu. Ak odhliadneme od výkonnostného faktora, uvádzame hlavné dôvody, prečo by akcelerometre MEMS mali zaujímať každého v oblasti monitorovania stavu.       Obrázok 1. Snímka zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) inerciálneho akcelerometra MEMS. Polysilikónové prsty sú zavesené v odtlakovanej dutine, aby sa umožnil pohyb a elektrická kapacita úmerná zrýchleniu sa meria susednou elektronikou na úpravu signálu. Začnime veľkosťou a hmotnosťou. V prípade leteckých aplikácií, ako sú systémy monitorovania zdravia a používania (HUMS), je hmotnosť extrémne drahá a náklady na palivo dosahujú tisíce dolárov za libru. S viacerými senzormi, ktoré sú zvyčajne nasadené na platforme, je možné dosiahnuť úsporu hmotnosti, ak sa dá znížiť hmotnosť každého senzora. Dnes môže výkonnejšie trojosové zariadenie MEMS v balení na povrchovú montáž s rozmermi menšími ako 6 mm × 6 mm vážiť menej ako gram. Táto malá veľkosť a vysoko integrovaná povaha mnohých produktov MEMS tiež umožňujú dizajnérovi zmenšiť veľkosť konečného balenia, čím sa zníži hmotnosť. Rozhranie typického zariadenia MEMS je s jedným zdrojom, čo uľahčuje správu a jednoduchšie sa prepožičiava digitálnemu rozhraniu, ktoré môže pomôcť ušetriť aj na nákladoch a hmotnosti káblov. Polovodičová elektronika môže tiež ovplyvniť veľkosť prevodníka. Triaxiálny menší tvarový faktor namontovaný na doske s plošnými spojmi (PCB) a vložený do hermetického krytu vhodného na montáž a kabeláž na stroji môže pomôcť vytvoriť menšie celkové balenie, ktoré ponúka väčšiu flexibilitu montáže a umiestnenia na platforme. Okrem toho môžu dnešné zariadenia MEMS obsahovať značné množstvo integrovanej elektroniky na úpravu signálu s jedným napätím, ktorá poskytuje analógové alebo digitálne rozhrania s veľmi nízkou spotrebou energie, čo pomáha umožniť bezdrôtové produkty napájané z batérie. Napríklad ADXL355, trojosový akcelerometer s vysokým rozlíšením a vysokou stabilitou má integrovaný Σ-Δ analógovo-digitálny prevodník (ADC) s efektívnym rozlíšením 18 bitov a výstupnou dátovou rýchlosťou 4 kSPS a spotrebuje menej ako 65 µA na os. Topológia obvodu na úpravu signálu MEMS s variáciami analógového aj digitálneho výstupu je bežná a otvára možnosti pre konštruktérov prevodníkov na prispôsobenie snímača širšej škále situácií, čo umožňuje prechod na digitálne rozhrania bežne dostupné v priemyselnom prostredí. Napríklad čipy transceiveru RS-485 sú široko dostupné a protokoly na voľnom trhu, ako je Modbus RTU, sú dostupné na načítanie do susedného mikrokontroléra. Kompletné riešenie vysielača môže byť navrhnuté a usporiadané pomocou čipov na povrchovú montáž s malými rozmermi, ktoré sa zmestia do relatívne malých plôch PCB, ktoré možno potom vložiť do obalov, ktoré môžu podporovať certifikácie odolnosti voči životnému prostrediu vyžadujúce hermetické alebo vnútorne bezpečné vlastnosti. MEMS preukázal, že je tiež veľmi odolný voči zmenám v prostredí. Špecifikácie otrasov dnešnej generácie zariadení sú uvádzané na 10,000 XNUMX g, ale v skutočnosti znesú oveľa vyššie úrovne bez vplyvu na špecifikácie citlivosti. Citlivosť môže byť upravená na automatickom testovacom zariadení (ATE) a navrhnutá a skonštruovaná tak, aby bola stabilná v čase a teplote do 0.01 °C pre snímač s vysokým rozlíšením. Celková prevádzka vrátane špecifikácií posunu posunu môže byť zaručená pre široký rozsah teplôt, ako je -40 °C až +125 °C. Pre monolitický triaxiálny snímač so všetkými kanálmi na rovnakom substráte sa bežne špecifikuje citlivosť krížovej osi 1 %. Nakoniec, ako zariadenie určené na meranie gravitačného vektora, MEMS akcelerometer má jednosmernú odozvu, udržiava výstupnú hustotu šumu blízko jednosmerného prúdu, obmedzenú iba 1/f rohom elektronického kondicionovania signálu a pri starostlivom návrhu môže byť minimalizované na 0.01 Hz. Snáď jednou z najväčších výhod senzorov založených na MEMS je schopnosť zväčšiť výrobu. Dodávatelia MEMS dodávajú veľké objemy pre mobilné telefóny, tablety a automobilové aplikácie už od roku 1990. Táto výrobná kapacita v zariadeniach na výrobu polovodičov pre senzor MEMS a čip obvodu na úpravu signálu je dostupná aj pre priemyselné a letecké aplikácie, čo pomáha znižovať celkové náklady. Navyše, s viac ako miliardou senzorov dodaných pre automobilové aplikácie za posledných 25 rokov sa spoľahlivosť a kvalita MEMS inerciálnych senzorov ukázala ako veľmi vysoká. Senzory MEMS umožnili komplexné bezpečnostné systémy zrážky, ktoré dokážu rozpoznať zrážky z akéhokoľvek smeru a vhodne aktivovať napínače bezpečnostných pásov a airbagy, aby chránili cestujúcich. Gyroskopy a akcelerometre s vysokou stabilitou sú tiež kľúčovými senzormi v bezpečnostných kontrolách vozidla. Dnešné automobilové systémy vo veľkej miere využívajú inerciálne senzory MEMS, aby umožnili bezpečnejšie, lepšie ovládateľné autá za nízku cenu a vynikajúcu spoľahlivosť. V súčasnosti je obrovský záujem a investície do technológie MEMS pre mnohé aplikácie. Okrem mnohých atraktívnych vlastností MEMS, MEMS inerciálne senzory tiež pomáhajú zmierniť mnohé problémy s kvalitou, ktoré trápia iné materiály a architektúry. MEMS inerciálne senzory sa používajú v náročných spotrebiteľských, leteckých a automobilových aplikáciách už viac ako 25 rokov a boli vystavené vysokým nárazom a náročným prostrediam. Nastal čas, aby MEMS ďalej prenikal do aplikácií vyžadujúcich vyšší výkon, ako je napríklad monitorovanie stavu? Plne sa očakáva, že výkon MEMS sa bude naďalej dramaticky zlepšovať, čo poskytne viac možností pre dizajnérov zariadení na monitorovanie stavu a umožní novú generáciu inteligentných senzorov, bezdrôtových senzorov a lacných, vertikálne integrovaných systémov.

Zanechajte správu 

zoznam správ