狀態(tài)監(jiān)控中的MEMS加速度計的介紹和應(yīng)用范圍

市場上出現(xiàn)了很多采用微型機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計作為核心傳感器的高度集成和易于部署的狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品。這些經(jīng)濟產(chǎn)品有助于減少總體部署和擁有成本，并且可在該過程中擴展受益于狀態(tài)監(jiān)控項目的通用設(shè)施和設(shè)備。與傳統(tǒng)機械式傳感器相比，固態(tài)MEMS加速度計具有多種有吸引力的屬性，但遺憾的是，它們在狀態(tài)監(jiān)控方面的用途受到限制，局限于對低成本標準智能傳感器之類產(chǎn)品可使用較低帶寬傳感器的應(yīng)用。一般來說，噪聲性能不夠低，診斷性應(yīng)用要求高頻率范圍具有低噪聲，帶寬超過10 kHz。當(dāng)前的低噪聲MEMS加速度計，其噪聲密度水平介于10 μg/√Hz和100 μg/√Hz之間，但帶寬只有幾kHz。這并沒有妨礙狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品設(shè)計師在新產(chǎn)品中使用噪音性能優(yōu)良的MEMS。作為一項基于固態(tài)電子器件和內(nèi)置半導(dǎo)體制造設(shè)施技術(shù)，MEMS向狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品設(shè)計師提供了幾個極具吸引力且有價值的優(yōu)勢。撇開性能因素，下面是狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域的任何人都應(yīng)對MEMS加速度計感興趣的主要原因。

圖1 慣性MEMS加速度計的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，多晶硅指懸浮在減壓腔，從而可通過相鄰信號調(diào)理電子器件測量與加速度成正比的運動和電容我們先從尺寸和重量開始。對于機載應(yīng)用，例如健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)，重量非常昂貴，每磅燃料花費數(shù)千美元。平臺上通常部署多個傳感器，如果可減少每個傳感器的重量，則可做到節(jié)約重量。如今，一個具有小于6 mm × 6 mm表貼封裝更高性能的三軸MEMS重量可以不到一克。很多MEMS產(chǎn)品的小尺寸和高度集成特性同樣能使設(shè)計師縮小最終封裝的尺寸，減輕重量。典型MEMS設(shè)備的接口是單電源，使其更易管理且更適合有助于節(jié)約成本和電纜重量的數(shù)字接口。固態(tài)電子器件也會影響傳感器的尺寸。在印刷電路板(PCB)上安裝更小尺寸的三軸器件，并插入封閉外殼中，適合在機器上安裝和布線，有助于實現(xiàn)更小的整體封裝，能夠在平臺上靈活放置安裝更多的器件。此外，如今的MEMS設(shè)備可包括大量集成、單電壓信號調(diào)理電子器件，提供具有極低功耗的模擬和數(shù)字接口來幫助實現(xiàn)電池供電的無線產(chǎn)品。例如，高分辨率，高穩(wěn)定性三軸加速度計ADXL355具有集成∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，18位有效分辨率和4 kSPS輸出數(shù)據(jù)速率，每軸功耗低于65 μA。同時提供模擬、數(shù)字輸出的MEMS信號調(diào)理電路拓撲結(jié)構(gòu)很常見，因而傳感器設(shè)計人員擁有更多選擇，使傳感器適應(yīng)各種各樣的情況，并且可以轉(zhuǎn)換到工業(yè)設(shè)置中可用的數(shù)字接口。例如，RS-485收發(fā)器芯片使用廣泛，并且遵守開放市場協(xié)議，如Modbus RTU，可加載到相鄰微控制器中。完整的發(fā)射器 解決方案可采用小尺寸表貼芯片設(shè)計和布局，適用于小型PCB區(qū)域，可插入支持環(huán)境魯棒性認證所需密封性或固有安全特性的封裝。事實證明，MEMS也能夠很好地應(yīng)對環(huán)境的變化。如今新一代設(shè)備的沖擊規(guī)格已達到10,000 g，但是實際上它可承受更高水平的沖擊，且不影響靈敏度規(guī)格。靈敏度可在自動測試設(shè)備(ATE)上調(diào)整，可針對高分辨率傳感器隨時間和0.01°C溫度精度的穩(wěn)定性設(shè)計和構(gòu)建?？稍?0°C到+125°C的較寬溫度范圍內(nèi)保 證整體運行性能，包括失調(diào)偏移參數(shù)。對于所有通道都在同一基板上的單芯片三軸傳感器，通常指定1%的跨軸靈敏度。最后，作為用于測量重力矢量的設(shè)備，MEMS加速度計提供直流響應(yīng)，輸出噪聲密度保持在直流附近，僅受電子信號調(diào)理1/f轉(zhuǎn)折頻率限制，通過精心設(shè)計，可達到最低0.01 Hz?；蛟S基于MEMS傳感器的最大優(yōu)勢之一是能夠擴大生產(chǎn)規(guī)模。自1990年以來，MEMS供應(yīng)商已向手機、平板電腦和汽車應(yīng)用市場供應(yīng)大量產(chǎn)品。MEMS傳感器和信號調(diào)理電路芯片在半導(dǎo)體制造設(shè)備中的生產(chǎn)能力，也可用于工業(yè)和航空領(lǐng)域，有助于降低總體成本。此外，過去25年來，汽車應(yīng)用領(lǐng)域已安裝了超過十億個傳感器，事實證明，MEMS慣性傳感器的可靠性和質(zhì)量都很高。MEMS傳感器具有復(fù)雜的防撞安全系統(tǒng)，可檢測任意方向的撞擊，并適時激活安全帶收緊裝置和安全氣囊來保護乘客。陀螺儀和高穩(wěn)定性加速度計也是車輛安全控制應(yīng)用的關(guān)鍵傳感器。如今的汽車系統(tǒng)廣泛應(yīng)用MEMS慣性傳感器，以低成本和高度可靠性掌控汽車、保障安全。目前，對于很多應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS技術(shù)都具有巨大的利益和投資潛力。MEMS除了擁有很多出眾的品質(zhì)外，MEMS慣性傳感器也有助于減少很多影響其他材料和架構(gòu)的質(zhì)量問題。MEMS慣性傳感器已經(jīng)在要求嚴苛的消費電子、航空和汽車應(yīng)用中使用了超過25年，經(jīng)受過高沖擊和嚴苛環(huán)境的考驗。MEMS進一步深入要求嚴苛的高性能應(yīng)用領(lǐng)域的時機是否成熟，例如狀態(tài)監(jiān)控？預(yù)計MEMS的性能將會持續(xù)大幅提升，為狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備設(shè)計人員提供更多選項，進而實現(xiàn)新一代智能傳感器、無線傳感器以及低成本、垂直集成系統(tǒng)。