Що потрібно знати про MEMS-акселерометри для моніторингу стану

На ринку з'являється багато високоінтегрованих і простих у розгортанні продуктів моніторингу стану, які використовують акселерометр мікроелектромеханічної системи (MEMS) як основний датчик. Ці економічні продукти допомагають знизити загальну вартість розгортання та володіння, а також розширюють набір засобів та обладнання, які можуть скористатися програмою моніторингу стану. Твердотільні MEMS-акселерометри мають багато привабливих властивостей у порівнянні із застарілими механічними датчиками, але, на жаль, їх використання для моніторингу стану було обмежено додатками, які можуть допускати використання датчиків з меншою пропускною здатністю для таких продуктів, як недорогі стандартні інтелектуальні датчики. Загалом, продуктивність шуму недостатньо низька, щоб обслуговувати діагностичні програми, які вимагають менших шумів у більш високих частотних діапазонах і смугах пропускання понад 10 кГц. Сьогодні доступні малошумні MEMS-акселерометри з рівнями щільності шуму від 10 мкг/√Гц до 100 мкг/√Гц, але пропускна здатність обмежена кількома кГц. Це не зупинило дизайнерів продуктів, що здійснюють моніторинг стану, використовувати MEMS з шумовими характеристиками, що досить добре в їхніх нових концепціях продукту, і на це є вагома причина. Будучи технологією, заснованою на твердотільній електроніці та вбудованому обладнанні для виробництва напівпровідників, MEMS пропонує кілька вагомих і цінних переваг для розробника продуктів моніторингу стану. Якщо відкинути фактор продуктивності, ось основні причини, чому акселерометри MEMS повинні бути цікавими будь-кому в області моніторингу стану.       Малюнок 1. Зображення інерційного MEMS-акселерометра у скануючому електронному мікроскопі (SEM). Полікремнієві пальці підвішені в розгерметизованій порожнині, щоб забезпечити рух, а електрична ємність, пропорційна прискоренню, вимірюється суміжною електронікою формування сигналу. Почнемо з розмірів і ваги. Для повітряно -крапельних застосувань, таких як у системах моніторингу стану здоров'я та використання (HUMS), вага надзвичайно дорогий, витрати на паливо становлять тисячі доларів за фунт. Завдяки кільком датчикам, які зазвичай розміщуються на платформі, можна насолоджуватися економією ваги, якщо вагу кожного датчика можна зменшити. Сьогодні більш продуктивний тривісний MEMS-пристрій в корпусі для поверхневого монтажу з розміром менше 6 мм × 6 мм може важити менше грама. Цей невеликий розмір і високоінтегрований характер багатьох продуктів MEMS також дозволяють дизайнеру зменшити розмір кінцевої упаковки, зменшуючи вагу. Інтерфейс типового MEMS-пристрою є єдиним джерелом живлення, що полегшує керування та полегшує використання цифрового інтерфейсу, який також може допомогти заощадити на вартості та вазі кабелів. Твердотільна електроніка також може впливати на розмір перетворювача. Менший тривісний форм-фактор, встановлений на друкованій платі (PCB) і вставлений в герметичний корпус, придатний для монтажу та підключення кабелів на машині, може допомогти створити менший загальний корпус, пропонуючи більшу гнучкість монтажу та розміщення на платформі. Крім того, сучасні MEMS-пристрої можуть включати значну кількість інтегрованої електроніки для формування сигналу з єдиною напругою, що забезпечує аналогові або цифрові інтерфейси з дуже низькою потужністю, що дозволяє використовувати бездротові продукти з батарейним живленням. Наприклад, ADXL355, тривісний акселерометр з високою роздільною здатністю та високою стабільністю, має вбудований аналого-цифровий перетворювач (АЦП) Σ-Δ з ефективною роздільною здатністю 18 біт і швидкістю вихідних даних 4 kSPS і споживає менше ніж 65 мкА на вісь. Топологія схеми формування сигналу MEMS з варіантами аналогового і цифрового виходу є загальною і відкриває можливості для розробника перетворювача для адаптації датчика до більшої різноманітності ситуацій, що дозволяє перейти до цифрових інтерфейсів, які зазвичай доступні в промислових умовах. Наприклад, мікросхеми трансивера RS-485 є широко доступними, а протоколи відкритого ринку, такі як Modbus RTU, доступні для завантаження в сусідній мікроконтролер. Повне рішення для передавачів може бути розроблено та представлено з невеликими мікросхемами для поверхневого монтажу, які можуть поміститися на відносно невеликих ділянках друкованої плати, які потім можуть бути вставлені в корпуси, які можуть підтримувати сертифікати екологічної надійності, що вимагають герметичних або ікробезпечних характеристик. MEMS також продемонстрував свою стійкість до змін навколишнього середовища. Характеристики ударних характеристик сучасних пристроїв 10,000 XNUMX г, але насправді вони можуть витримувати набагато більші рівні без впливу на характеристики чутливості. Чутливість може бути зменшена на автоматичному випробувальному обладнанні (ATE) і спроектована та сконструйована так, щоб вона була стабільною в часі та температурі до 0.01°C для датчика високої роздільної здатності. Загальна робота, включаючи специфікації зсуву, може бути гарантована для широкого діапазону температур, наприклад від -40°C до +125°C. Для монолітного тривісного датчика з усіма каналами на одній підкладці зазвичай вказується чутливість поперечної осі 1%. Нарешті, як пристрій, призначений для вимірювання вектора гравітації, акселерометр MEMS має відгук постійного струму, підтримуючи щільність вихідного шуму близько постійного струму, обмежену лише кутом 1/f електронного формування сигналу і, за умови ретельної конструкції, може бути мінімізовано до 0.01 Гц. Можливо, однією з найбільших переваг датчиків на основі MEMS є можливість нарощувати виробництво. З 1990 року постачальники MEMS постачають великі обсяги для мобільних телефонів, планшетів та автомобільних додатків. Ця виробнича потужність, що міститься у виробництві напівпровідників як для датчика MEMS, так і для мікросхеми формування сигналу, доступна також для промислових та авіаційних застосувань, що допомагає знизити загальну вартість. Більше того, оскільки за останні 25 років було поставлено понад мільярд датчиків для автомобільних додатків, надійність і якість інерційних датчиків MEMS були дуже високі. Датчики MEMS увімкнули складні системи безпеки при аварії, які можуть виявляти аварії з будь-якого напрямку та відповідним чином активувати натягувачі ременів безпеки та подушки безпеки для захисту пасажирів. Гіроскопи та високостабільні акселерометри також є ключовими датчиками в системі контролю безпеки автомобіля. Сучасні автомобільні системи широко використовують інерційні датчики MEMS, щоб забезпечити безпечніші, краще керування автомобілями за низькою вартістю та чудовою надійністю. В даний час існує величезний інтерес та інвестиції в технологію MEMS для багатьох застосувань. На додаток до багатьох привабливих якостей MEMS, інерціальні датчики MEMS також допомагають усунути багато проблем з якістю, які турбують інші матеріали та архітектури. Інерціальні датчики MEMS використовуються у вимогливих споживчих, авіаційних та автомобільних додатках понад 25 років і зазнають сильних ударів і вимогливих умов. Чи настав час для MEMS для подальшого проникнення в програми, які вимагають більш високої продуктивності, наприклад моніторинг стану? Цілком очікується, що продуктивність MEMS продовжуватиме різко покращуватися, надаючи більше можливостей для розробників обладнання для моніторингу стану та створюючи нове покоління розумних датчиків, бездротових датчиків та недорогих вертикально інтегрованих систем.

Залишити повідомлення 

список повідомлень