用于智能基礎(chǔ)設(shè)施的MEMS傳感器

平板電腦、智能手機(jī)、視頻游戲機(jī)、攝像機(jī)和相機(jī)徹底改變了傳感器世界。這包括MEMS加速度計(jì)和陀螺儀。它們測量運(yùn)動(dòng)的能力提高了性能，并增加了許多使用它們的設(shè)備的功能。

雖然消費(fèi)類應(yīng)用刺激了對(duì)這些傳感器的需求，但它們?cè)谄渌袌龅氖褂靡苍谠黾?。隨著數(shù)字化或物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，傳感器正在成為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的核心。在這些情況下，MEMS被依賴用于狀態(tài)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。這些新應(yīng)用帶來了非常具體的性能和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

智能基礎(chǔ)設(shè)施

使用數(shù)字化創(chuàng)建智能基礎(chǔ)設(shè)施提供了許多好處。其中包括提高容量、效率和可靠性。智能基礎(chǔ)設(shè)施可為客戶和用戶提供更多、更有針對(duì)性的服務(wù)，而無需增加投資或資源。此外，互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施可以收集數(shù)據(jù)，以幫助更有效地設(shè)計(jì)和實(shí)施未來的基礎(chǔ)設(shè)施。為基礎(chǔ)設(shè)施帶來智能還可以有效解決維護(hù)的主要挑戰(zhàn)。MEMS傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中起著決定性的作用。它們可用于測量傾角變化、振動(dòng)分析以及線性或圓周運(yùn)動(dòng)，即使在極端條件下也是如此。這些傳感器可以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，更好地利用可用資源并有助于避免服務(wù)故障和中斷。ADI公司擁有深厚的專業(yè)知識(shí)，并在支持智能基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的MEMS技術(shù)方面投入了大量資金。

ADXL35x MEMS加速度計(jì)系列

ADI公司推出的低噪聲、低功耗、3軸加速度計(jì)系列：帶模擬輸出的ADXL354;ADXL355具有數(shù)字輸出和±2 g、±4 g和±8 g可編程范圍;帶模擬輸出的ADXL356;ADXL357具有數(shù)字輸出和±10 g、±20 g和±40 g可編程范圍。

這些器件可用于 IMU（慣性測量單元）、平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)、測斜儀和預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。這些中高端傳感器專為一些最苛刻的傳感器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如地震測繪以及工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的高級(jí)功能

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，測量范圍是一個(gè)重要的參數(shù)。例如，在加速度峰值約為幾g s的應(yīng)用中，2 g量程傳感器就足夠了。然而，這些設(shè)備通常在受到強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊的環(huán)境中運(yùn)行，從而導(dǎo)致傳感器飽和。一旦飽和，就無法再測量正確的加速度。因此，在設(shè)備可以恢復(fù)標(biāo)稱操作之前，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。在這種情況下，可以使用 40 g 傳感器。它不太可能達(dá)到飽和，即使在存在高機(jī)械噪聲的情況下，也可以通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">信號(hào)處理提取所需的信息。

由于許多基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的傳感器可能很遠(yuǎn)或難以訪問，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最佳解決方案。這使得低功耗成為另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。ADXL35x器件在待機(jī)模式下僅消耗21 μA，模擬輸出部分功耗為150 μA，在測量模式下數(shù)字輸出功耗為200 μA。ADXL355/ADXL357中的FIFO存儲(chǔ)器在主機(jī)微控制器處于休眠模式時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)內(nèi)存已滿時(shí)，中斷會(huì)喚醒微控制器以傳輸數(shù)據(jù)并執(zhí)行請(qǐng)求的操作。微控制器完成傳輸后，將返回低功耗休眠模式，從而確保極低的功耗水平。

通常，低功耗是以犧牲其他因素為代價(jià)的，例如速度和噪聲。ADXL35x加速度計(jì)的頻譜噪聲密度對(duì)于低g器件為20 μg/√Hz，對(duì)于高g器件，其頻譜噪聲密度為80 μg/√Hz。此外，內(nèi)部架構(gòu)有助于優(yōu)化加速度計(jì)的靈敏度。圖2顯示了模擬和數(shù)字器件的框圖。來自傳感器的信號(hào)進(jìn)入濾波模塊，然后由后續(xù)階段處理。在濾波器之后，在輸出之前，有一個(gè)緩沖器和一個(gè)32 kΩ電阻，可以執(zhí)行進(jìn)一步的模擬濾波。數(shù)字器件具有一個(gè)額外的可編程數(shù)字濾波器。低通濾波器的截止頻率根據(jù)輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)整，也可以插入高通濾波器來實(shí)現(xiàn)帶通功能。對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測，振動(dòng)的頻譜分析是主要工具，因此高帶寬對(duì)于捕獲更多次諧波非常重要。傳感器的機(jī)械共振頻率在5.5 kHz左右，但頻率響應(yīng)主要由截止頻率為1.5 kHz的抗混疊濾波器決定。最后，為了提供所需的分辨率，模數(shù)轉(zhuǎn)換使用20位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器執(zhí)行。由于這些功能，這些加速度計(jì)也可用于記錄地震事件。

圖2.ADXL356和ADXL357原理框圖。

如果要監(jiān)測建筑物、橋梁、軌道、高壓塔或基礎(chǔ)設(shè)施的任何其他元素的結(jié)構(gòu)健康狀況，穩(wěn)定性非常重要。我們?cè)谶@里要測量的是結(jié)構(gòu)的漂移，不應(yīng)將其與測量設(shè)備的漂移混淆。

傳感器的長期穩(wěn)定性與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。在焊接階段遭受的任何機(jī)械應(yīng)力都可能導(dǎo)致電氣偏移。應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，導(dǎo)致偏移漂移。這可能會(huì)被誤解為傾斜度或其他一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。為避免此問題，需要特別注意芯片粘接操作。

包裝選擇也很重要。這些加速度計(jì)采用堅(jiān)固的 14 引腳 LCC 陶瓷封裝，比廣泛用于消費(fèi)應(yīng)用的塑料封裝更好地防止機(jī)械應(yīng)力。陶瓷封裝還保證了高度的密封性，可防止水分和顆粒進(jìn)入，從而有助于長期穩(wěn)定性。

在正常運(yùn)行期間，設(shè)備可能會(huì)受到不同的環(huán)境條件的影響，尤其是可能影響其性能的溫度和濕度。對(duì)于濕度，傳感器采用密封封裝，如 14 引腳 LCC，即使在最惡劣的條件下也能保證穩(wěn)定運(yùn)行。工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。 這意味著這些設(shè)備經(jīng)過優(yōu)化，即使在極端溫度下也能正常工作。此外，還特別注意最小化偏移的漂移，這是最關(guān)鍵的參數(shù)。在所有三個(gè)軸上，保證低g加速度計(jì)ADXL354/ADXL355的最大漂移為±0.15 m g/°C，高g加速度計(jì)ADXL356/ADXL357的最大漂移為±0.75 m g/°C。此外，加速度計(jì)還配備了一個(gè)集成的溫度傳感器，可用于漂移的熱補(bǔ)償。

結(jié)論

今天，我們看到對(duì)MEMS傳感器的需求擴(kuò)展到消費(fèi)類應(yīng)用之外。工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施市場正在創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。正是在這些領(lǐng)域，可靠性和性能是關(guān)鍵因素。ADI公司的研究重點(diǎn)是開發(fā)能夠提供高性能并在極端環(huán)境條件下可靠運(yùn)行的解決方案。ADXL354、ADXL355、ADXL356和ADXL357是對(duì)全新高g加速度計(jì)系列的補(bǔ)充，ADXL1001為±100 g，ADXL1002為±50 g，ADXL1004為±500 g超低噪聲和高達(dá)24 kHz的超高帶寬。