利用MEMS加速度计的优势进行状态监测
2016-07-22 07:35:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

作者：Analog Devices市场部经理Ed Spence

麦姆斯咨询 编译

现在，越来越多的状态监测产品开始采用MEMS加速度计作为核心传感器。这些具有经济效益、高度集成的解决方案降低了应用成本，使更多的工厂和设备从状态监测中获益。

固态MEMS加速度计相对传统机械传感器具有许多优势，可是，它们在状态监测领域却受限于那些能够容忍低成本、标准智能传感器的较低带宽应用。通常，诊断类状态监测应用要求在更高频率范围内，具有更低的噪声，且带宽超过10kHz。

如今，可以获得噪声密度等级从10 µg/√Hz到100 µg/√Hz的低噪声MEMS加速度计，但这些加速度计受限于仅仅几个kHz的带宽。不过，状态监测产品设计师还是有充分的理由，在他们的新款概念产品中使用具有“足够优异”噪声性能的MEMS器件。

由于MEMS器件均基于固态电子元件和嵌入式半导体制造设备，因此它们能够为状态监测产品提供极具吸引力且有价值的优势。目前，除了性能因素以外，它们还有以下优势：

重量和尺寸

对于机载应用，如健康和使用监控系统（Health and Usage Monitoring Systems, HUMS），更大的重量就意味着更高的油耗（每磅航空燃油约数千美元）。对于应用多个传感器的平台，更轻的传感器就意味着更低的燃油成本。

现在，一款封装尺寸小于6 × 6 mm，采用表面贴装封装的高性能三轴MEMS器件，其重量可以做到小于1克。不仅如此，许多MEMS产品的微小尺寸和高度集成性还能帮助设计人员缩减最终封装尺寸，甚至进一步降低其重量。另外，典型MEMS器件的接口为单电源供电，使之更容易管理，并且更容易帮助其兼容数字接口，最终还能降低成本和线缆重量。

固态电子元件也会影响换能器的尺寸。贴装在PCB板上的三轴MEMS器件，将嵌入到一个密封腔体中，该腔体会在一个机器上进行贴装和布线，尺寸更小的三轴MEMS器件能够使整个产品的封装尺寸更小，能够为平台提供更大的贴装和安置弹性。

此外，如今的MEMS器件能够包含大量集成的单电压供电信号调理电子元件，并能提供功耗很低的模拟或数字接口，以实现电池供电的无线产品的运行。例如，近期开发出来的一款高分辨率高稳定性三轴加速度计，具有集成的Σ-Δ模数转换器（analog-to-digital converter, ADC），其有效分辨率为18 bits，数据输出速率为4 k samples/s，每轴功耗低于65 μA。

具有模拟和数字输出的MEMS信号调理电路的拓扑结构的种类很多，方便客户选择以使传感器适应更广泛的应用环境。这使得接口向数字接口转变的趋势在工业应用环境中很常见。

上图为一款惯性MEMS加速度计的电子扫描电镜照片，多晶硅梳齿悬浮在减压腔内，使其能够活动。其电容与加速度成正比，通过相邻的信号调理电路测量电容的变化，从而获得加速度值

例如，RS-485收发器芯片可以通过广泛的途径获得各种公开的市场协议，如Modbus RTU通讯协议，能够加载进入相邻的微控制器。由此可以设计一款完整的发射器解决方案，采用表面贴装芯片布局，能够安装在相对狭小的PCB区域内。然后，可以将其嵌入到支持环境坚固性（environmental robustness）认证要求的，具有密封或者内在安全特性的封装结构中。

生产规模扩展性

基于MEMS技术的传感器的最大的优势之一，或许是其生产规模的扩大能力。MEMS供应商自1990年起，为手机、平板电脑和汽车应用提供了大量的MEMS器件。这种制造能力，源自于利用半导体制造工艺来制造MEMS传感器和信号调理电路芯片，现在，这些器件已经能够满足工业和航天应用的要求，能够在提高产品质量和可靠性的同时，进一步降低整体成本。

稳定性

MEMS器件已经通过验证证明了其坚固性和稳定性，即使是面对非常有挑战的恶劣环境。现在这一代的MEMS器件的抗震性能据称为10000g，但是实际上，它们能够承受更高g值的震动，而不影响其灵敏度。一款高分辨率传感器的灵敏度可以通过设计，在自动测试设备上测试其长期稳定性，其温度精度为0.01°C。包括偏移补偿在内的所有操作，可以保证其在宽泛的温度范围内（如–40 ~ +125°C）保持稳定。对于一款所有通道都在同一个基底上的单片三轴传感器，通常标定其交叉轴灵敏度为1%。

经过验证的性能

低成本、高可靠性的MEMS传感器能够实现更安全、操控更好的汽车，因此，许多汽车系统广泛应用了MEMS惯性传感器。过去的25年间，传感器供应商为汽车类应用供应了超过10亿颗各类传感器，其中，MEMS惯性传感器展现出了高度的可靠性和质量。搭载MEMS传感器的系统能够探测到来自任何方向的碰撞，并准确激活安全带张紧器和安全气囊，来保护乘客的生命安全。陀螺仪和高稳定性加速度计还是汽车安全控制系统中的关键传感器。

MEMS和状态监测的未来

现在，为满足大量对性能有较高要求的应用，人们在MEMS技术领域投入了极大的兴趣和巨额投资。除了上述诱人的优势以外，MEMS惯性传感器还能帮助解决许多困扰其它材料和结构的质量问题。MEMS惯性传感器正应用于要求较高的消费类、航天和汽车应用，展示了其创纪录的长期可靠性和高品质。

MEMS技术是时候进入状态监测等对性能要求更高的应用了吗？非常期待MEMS器件的性能可以获得持续的大幅提高，为状态监测设备设计师提供更多的选择，创造出新一代智能传感器、无线传感器和低成本垂直整合系统。在不久的将来，让我们期待MEMS器件在状态监测领域大放光彩吧！