MEMS加速度計(jì)性能成熟

本文回顧了展示MEMS技術(shù)發(fā)展和性能水平的數(shù)據(jù)，將其與市售壓電（PZT）狀態(tài)監(jiān)測(cè)加速度計(jì)進(jìn)行比較。

對(duì)MEMS工藝技術(shù)的投資，加上設(shè)計(jì)創(chuàng)新，極大地提高了MEMS性能，足以使MEMS成為更廣泛的狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的可行選擇?，F(xiàn)在，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的MEMS結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)，可以提高諧振頻率高達(dá)50 kHz，噪聲密度水平低至25 μg √Hz的加速度計(jì)。信號(hào)調(diào)理電子元件的精心設(shè)計(jì)充分利用了這些新型加速度計(jì)的低布朗運(yùn)動(dòng)噪聲。

圖1.新型高頻加速度計(jì)的噪聲頻譜密度圖。

性能和比較數(shù)據(jù)

為了評(píng)估最新的MEMS加速度計(jì)是否適合狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，測(cè)量與市售的PZT型狀態(tài)監(jiān)測(cè)加速度計(jì)并行進(jìn)行。為了確保兩個(gè)傳感器具有相似的質(zhì)量并受到相同的刺激，MEMS傳感器被粘附在PZT傳感器的情況下。MEMS加速度計(jì)的單電源模擬輸出直接輸入到與PZT傳感器相同的數(shù)據(jù)記錄器的模擬輸入通道中。數(shù)據(jù)采集儀器（DAQ）被用作這些實(shí)驗(yàn)的采集系統(tǒng)。

電機(jī)錯(cuò)位仿真

在振動(dòng)測(cè)試儀上重現(xiàn)了真實(shí)場(chǎng)景，例如基于振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中描述的場(chǎng)景，以比較使用已知刺激的設(shè)備。此示例概述了以 5100 rpm （85 Hz） 運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)和以 3000 rpm （50 Hz） 運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)未對(duì)準(zhǔn)的振動(dòng)水平。該場(chǎng)景描述了使用隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試模式對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行編程以產(chǎn)生的頻率和振幅。表1列出了兩種器件在目標(biāo)頻率下的幅度測(cè)量結(jié)果。

表 1.電機(jī)未對(duì)中模擬設(shè)定點(diǎn)

圖2顯示了諧振頻率為21 kHz的MEMS加速度計(jì)和諧振頻率為25 kHz的PZT傳感器測(cè)量的結(jié)果頻譜。MEMS加速度計(jì)在1 kHz至10 kHz頻段內(nèi)的均方根（rms）輸出比PZT加速度計(jì)高約30 mg，即1.7%。

圖2

圖2.PZT加速度計(jì)（上）和MEMS加速度計(jì)（下）的噪聲密度譜;在高達(dá)10 kHz時(shí)，結(jié)果幾乎相同，但MEMS加速度計(jì)的低頻響應(yīng)存在關(guān)鍵差異。

與PZT器件不同，MEMS器件具有低頻響應(yīng)，在0.1 Hz時(shí)為1/f，這對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)等極低頻機(jī)器（也可以更快地從飽和中恢復(fù)）感興趣。由于振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)在非常低的頻率下滾落，因此通過(guò)“敲擊”測(cè)試夾具并捕獲由此產(chǎn)生的響應(yīng)來(lái)測(cè)試兩個(gè)設(shè)備的響應(yīng)。然后將記錄的時(shí)域測(cè)量轉(zhuǎn)換為頻域。結(jié)果如圖 3 所示。請(qǐng)注意，MEMS加速度計(jì)能夠記錄低至直流的響應(yīng)。

圖3.兩個(gè)加速度計(jì)在點(diǎn)擊時(shí)的響應(yīng)比較。

結(jié)論

模擬輸出直接驅(qū)動(dòng)DAQ的MEMS性能可與PZT傳感器相媲美。這表明MEMS加速度計(jì)非常適合重新構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的輸出通道，特別是基于+5 V單電源供電的半導(dǎo)體元件（如無(wú)線智能傳感器）的全新概念。

從表面上看，第一代加速度計(jì)似乎對(duì)這種應(yīng)用很有吸引力，因?yàn)樗哂懈哳l諧振（22 kHz）和±70 g、±250 g和±500 g的高滿量程范圍（FSR）。不幸的是，噪聲水平為4 mg√Hz，對(duì)于大多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是不可接受的高。對(duì)于比較中使用的第二代器件，噪聲比第一代降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而功率降低到40%。表2總結(jié)了兩款MEMS
加速度計(jì)的性能比較，重點(diǎn)介紹了性能的改進(jìn)。

表 2.用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的第一代和第二代MEMS加速度計(jì)的主要規(guī)格比較

電子信號(hào)調(diào)理專(zhuān)業(yè)知識(shí)的融合和高分辨率MEMS加速度計(jì)的開(kāi)發(fā)使性能能夠服務(wù)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。具有低物理噪聲水平的高頻MEMS加速度計(jì)，加上高性能、低噪聲和高穩(wěn)定性的信號(hào)處理設(shè)計(jì)技術(shù)，解決了以前使MEMS無(wú)法提供與當(dāng)代基于PZT的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器相媲美的性能的基本限制。

審核編輯：郭婷