Hvad du behøver at vide om MEMS -accelerometre til tilstandsovervågning

Mange højt integrerede og let at implementere tilstandsovervågningsprodukter, der anvender et mikroelektromekanisk system (MEMS) accelerometer som kernesensoren, dukker op på markedet. Disse økonomiske produkter hjælper med at reducere de samlede omkostninger ved implementering og ejerskab og udvider i processen universet af faciliteter og udstyr, der kan drage fordel af et tilstandsovervågningsprogram. Solid-state MEMS accelerometre har mange attraktive egenskaber sammenlignet med ældre mekaniske sensorer, men desværre er deres brug til tilstandsovervågning blevet begrænset til applikationer, der kan tolerere brugen af ​​sensorer med lavere båndbredde til produkter som billige, standardbaserede smarte sensorer. Generelt er støjydelsen ikke lav nok til at betjene diagnostiske applikationer, der kræver lavere støj over højere frekvensområder og båndbredder ud over 10 kHz. MEMS-accelerometre med lav støj er tilgængelige i dag med støjtæthedsniveauer alt fra 10 µg/√Hz til 100 µg/√Hz, men er begrænset til et par kHz båndbredde. Dette har ikke afholdt produktdesignere, der overvåger tilstanden, fra at bruge et MEMS med støjydeevne, der er lige god nok i deres nye produktkoncepter og med god grund. Som en teknologi baseret på solid-state elektronik og indbyggede halvlederfabrikationsfaciliteter tilbyder et MEMS adskillige overbevisende og værdifulde fordele for designeren af ​​tilstandsovervågningsprodukter. Når man lægger præstationsfaktoren til side, er her hovedårsagerne til, at MEMS accelerometre bør være interessante for alle inden for tilstandsovervågning.       Figur 1. Et scanning elektronmikroskop (SEM) billede af et inerti MEMS accelerometer. Polysiliciumfingre er ophængt i et trykløst hulrum for at muliggøre bevægelse, og elektrisk kapacitans, der er proportional med accelerationen, måles af tilstødende signalbehandlingselektronik. Lad os starte med størrelsen og vægten. Til luftbårne applikationer, såsom i sundheds- og brugsovervågningssystemer (HUMS), er vægten ekstremt dyr, med brændstofomkostninger på tusindvis af dollars pr. pund. Med flere sensorer, der typisk er installeret på en platform, kan der opnås vægtbesparelser, hvis vægten af ​​hver sensor kan reduceres. I dag kan en højere ydeevne treakset MEMS-enhed i en overflademonteret pakke med mindre end 6 mm × 6 mm i fodaftryk veje mindre end et gram. Denne lille størrelse og den meget integrerede karakter af mange MEMS-produkter gør det også muligt for designeren at formindske størrelsen af ​​den endelige pakke, hvilket reducerer vægten. Grænsefladen på en typisk MEMS-enhed er en enkelt forsyning, hvilket gør det nemmere at administrere og nemmere låner sig til en digital grænseflade, der også kan hjælpe med at spare på omkostningerne og vægten af ​​kabler. Solid-state elektronik kan også påvirke størrelsen af ​​transduceren. En mindre formfaktor treakset monteret på et printkort (PCB) og indsat i et hermetisk hus, der er egnet til montering og kabling på en maskine, kan hjælpe med at muliggøre en mindre samlet pakke, hvilket giver mere monterings- og placeringsfleksibilitet på platformen. Derudover kan nutidens MEMS-enheder omfatte betydelige mængder integreret, enkeltspændingsforsyningssignalbehandlingselektronik, der giver analoge eller digitale grænseflader med meget lav effekt for at hjælpe med at aktivere batteridrevne trådløse produkter. ADXL355, et treaksialt accelerometer med høj opløsning og høj stabilitet har en integreret Σ-Δ analog-til-digital konverter (ADC), med en effektiv opløsning på 18 bit og en udgangsdatahastighed på 4 kSPS, og forbruger mindre end 65 µA pr. akse. Topologien af ​​et MEMS signalbehandlingskredsløb med både analoge og digitale udgangsvariationer er fælles og åbner muligheder for transducerdesigneren til at tilpasse sensoren til en bredere række af situationer, hvilket muliggør en overgang til digitale grænseflader, der almindeligvis er tilgængelige i industrielle omgivelser. For eksempel er RS-485 transceiver-chips bredt tilgængelige, og åbne markedsprotokoller, såsom Modbus RTU, er tilgængelige til at indlæse i en tilstødende mikrocontroller. En komplet transmitterløsning kan designes og udlægges med små overflademonterede chips, der kan passe inden for relativt små PCB-områder, som derefter kan indsættes i pakker, der kan understøtte miljømæssige robusthedscertificeringer, der kræver hermetiske eller egensikre egenskaber. Et MEMS har også vist sig at være meget robust over for ændringer i miljøet. Stødspecifikationerne for dagens generation af enheder er angivet til 10,000 g, men kan i virkeligheden tolerere meget højere niveauer uden indvirkning på følsomhedsspecifikationerne. Følsomheden kan trimmes på automatisk testudstyr (ATE) og designet og konstrueret til at være stabil over tid og temperatur til 0.01°C for en højopløsningssensor. Samlet drift, inklusive offset shift-specifikationer, kan garanteres for brede temperaturområder, såsom -40°C til +125°C. For en monolitisk triaksial sensor med alle kanaler på det samme substrat er der almindeligvis angivet en tværaksefølsomhed på 1 %. Endelig, som en enhed designet til at måle tyngdekraftvektoren, har et MEMS-accelerometer en DC-respons, der bibeholder udgangsstøjtætheden til nær DC, kun begrænset af 1/f-hjørnet af den elektroniske signalbehandling og kan med omhyggeligt design minimeret til 0.01 Hz. Måske er en af ​​de største fordele ved MEMS-baserede sensorer evnen til at opskalere produktionen. MEMS-leverandører har leveret store mængder til mobiler, tablets og bilapplikationer siden 1990. Denne produktionskapacitet, der findes i halvlederfabrikationsfaciliteter til både MEMS-sensoren og signalbehandlingskredsløbschippen, er også tilgængelig for industri- og luftfartsapplikationer, hvilket hjælper med at sænke de samlede omkostninger. Desuden, med mere end en milliard sensorer sendt til bilapplikationer i løbet af de sidste 25 år, har pålideligheden og kvaliteten af ​​MEMS inertisensorer vist sig at være meget høj. MEMS-sensorer har aktiveret komplekse kollisionssikkerhedssystemer, der kan registrere kollisioner fra alle retninger og aktivere selestrammere og airbags passende for at beskytte passagererne. Gyroskoper og accelerometre med høj stabilitet er også nøglesensorer i køretøjets sikkerhedskontrol. Nutidens bilsystemer gør udstrakt brug af MEMS inertisensorer for at muliggøre sikrere, bedre håndtering af biler til lave omkostninger og fremragende pålidelighed. I øjeblikket er der en enorm interesse og investering i MEMS-teknologi til mange applikationer. Ud over de mange attraktive kvaliteter ved en MEMS hjælper MEMS inertisensorer også med at afhjælpe mange af de kvalitetsproblemer, der plager andre materialer og arkitekturer. MEMS inertisensorer er blevet brugt i krævende forbruger-, luftfarts- og bilapplikationer i mere end 25 år og har været udsat for høje stød og krævende miljøer. Er tiden kommet for MEMS til at trænge yderligere ind i applikationer, der kræver højere ydeevne, såsom tilstandsovervågning? Det forventes fuldt ud, at MEMS's ydeevne vil fortsætte med at forbedre sig dramatisk, hvilket giver flere muligheder for designere af tilstandsovervågningsudstyr og muliggør en ny generation af smarte sensorer, trådløse sensorer og billige, vertikalt integrerede systemer.

Læg en besked 

Message List