Ce trebuie să știți despre accelerometrele MEMS pentru monitorizarea stării

Multe produse de monitorizare a stării extrem de integrate și ușor de implementat care folosesc un accelerometru cu sistem microelectromecanic (MEMS) ca senzor de bază apar pe piață. Aceste produse economice ajută la reducerea costului total de implementare și de proprietate și, în acest proces, extind universul de facilități și echipamente care pot beneficia de un program de monitorizare a stării. Accelerometrele MEMS cu stare solidă au multe atribute atractive în comparație cu senzorii mecanici vechi, dar, din păcate, utilizarea lor pentru monitorizarea stării a fost limitată la aplicații care pot tolera utilizarea senzorilor cu lățime de bandă mai mică pentru produse precum senzorii inteligenți cu costuri reduse, bazați pe standard. În general, performanța de zgomot nu este suficient de scăzută pentru a servi aplicațiilor de diagnosticare care necesită un zgomot mai mic pe intervale de frecvență mai mari și lățimi de bandă de peste 10 kHz. Accelerometrele MEMS cu zgomot redus sunt disponibile astăzi cu niveluri de densitate a zgomotului de oriunde de la 10 µg / √Hz la 100 µg / √Hz, dar sunt limitate la câțiva kHz de lățime de bandă. Acest lucru nu i-a împiedicat pe designerii de produse de monitorizare a stării să folosească un MEMS cu performanță de zgomot suficient de bună în noile lor concepte de produs și din motive întemeiate. Fiind o tehnologie bazată pe electronică solidă și facilități de fabricare a semiconductoarelor încorporate, un MEMS oferă mai multe avantaje convingătoare și valoroase proiectantului de produse de monitorizare a stării. Lăsând deoparte factorul de performanță, iată principalele motive pentru care accelerometrele MEMS ar trebui să fie de interes pentru oricine în domeniul monitorizării stării.       Figura 1. O imagine cu microscop electronic cu scanare (SEM) a unui accelerometru inerțial MEMS. Degetele din polisiliciu sunt suspendate într-o cavitate depresurizată pentru a permite mișcarea, iar capacitatea electrică proporțională cu accelerația este măsurată de electronicele adiacente de condiționare a semnalului. Să începem cu dimensiunea și greutatea. Pentru aplicațiile aeriene, cum ar fi sistemele de monitorizare a sănătății și a utilizării (HUMS), greutatea este extrem de costisitoare, cu costuri de combustibil de mii de dolari pe kilogram. Cu mai mulți senzori instalați de obicei pe o platformă, se poate reduce greutatea dacă greutatea fiecărui senzor poate fi redusă. Astăzi, un dispozitiv MEMS triaxial de performanță superioară într-un pachet de montare la suprafață cu o amprentă la sol mai mică de 6 mm × 6 mm poate cântări mai puțin de un gram. Această dimensiune mică și natura extrem de integrată a multor produse MEMS permit, de asemenea, proiectantului să micșoreze dimensiunea pachetului final, reducând greutatea. Interfața unui dispozitiv MEMS obișnuit este o singură sursă, ceea ce face mai ușor de gestionat și se pretează mai ușor la o interfață digitală care poate ajuta la economisirea costurilor și a greutății cablurilor. Electronica cu stare solidă poate afecta, de asemenea, dimensiunea traductorului. Un factor de formă triaxial mai mic, montat pe o placă de circuit imprimat (PCB) și introdus într-o carcasă ermetică potrivită pentru montare și cablare pe o mașină, poate ajuta la activarea unui pachet general mai mic, oferind mai multă flexibilitate de montare și plasare pe platformă. În plus, dispozitivele MEMS de astăzi pot include cantități semnificative de electronice integrate de condiționare a semnalului cu o singură tensiune, oferind interfețe analogice sau digitale cu o putere foarte mică pentru a ajuta la activarea produselor fără fir alimentate cu baterii. De exemplu, ADXL355, un accelerometru triaxial de înaltă rezoluție și stabilitate ridicată, are un convertor analog-digital (ADC) Σ-Δ integrat, cu o rezoluție efectivă de 18 biți și o rată a datelor de ieșire de 4 kSPS și consumă mai puțin de 65 µA pe axă. Topologia unui circuit de condiționare a semnalului MEMS cu variații de ieșire atât analogice cât și digitale este comună și deschide opțiuni pentru proiectantul traductorului de a adapta senzorul la o varietate mai largă de situații, permițând o tranziție la interfețele digitale disponibile în mod obișnuit în setările industriale. De exemplu, cipurile transceiver RS-485 sunt disponibile pe scară largă și sunt disponibile protocoale de piață deschisă, cum ar fi Modbus RTU, pentru a fi încărcate într-un microcontroler adiacent. O soluție completă de transmițător poate fi proiectată și amenajată cu cipuri de montare pe suprafață cu amprentă mică, care se pot încadra în zone relativ mici de PCB, care pot fi apoi introduse în pachete care pot suporta certificări de robustețe de mediu care necesită caracteristici ermetice sau intrinsec sigure. Un MEMS s-a dovedit a fi foarte robust și la schimbările din mediu. Specificațiile de șoc ale generației actuale de dispozitive sunt stabilite la 10,000 g, dar în realitate pot tolera niveluri mult mai mari fără impact asupra specificațiilor de sensibilitate. Sensibilitatea poate fi ajustată pe un echipament automat de testare (ATE) și proiectată și construită pentru a fi stabilă în timp și temperatură până la 0.01 °C pentru un senzor de înaltă rezoluție. Funcționarea generală, inclusiv specificațiile de deplasare compensată, poate fi garantată pentru intervale largi de temperatură, cum ar fi -40°C până la +125°C. Pentru un senzor triaxial monolitic cu toate canalele pe același substrat, se specifică în mod obișnuit sensibilitatea axelor transversale de 1%. În cele din urmă, ca dispozitiv conceput pentru a măsura vectorul gravitațional, un accelerometru MEMS are un răspuns de curent continuu, menținând densitatea zgomotului de ieșire la aproape de curent continuu, limitată doar de colțul 1 / f al condiționării semnalului electronic și, cu un design atent, poate fi minimizat la 0.01 Hz. Poate că unul dintre cele mai mari avantaje ale senzorilor bazați pe MEMS este capacitatea de a extinde producția. Vânzătorii MEMS au livrat volume mari pentru aplicații mobile, tablete și automobile din 1990. Această capacitate de producție care se află în instalațiile de fabricare a semiconductoarelor atât pentru senzorul MEMS, cât și pentru cipul circuitului de condiționare a semnalului este disponibilă și pentru aplicațiile industriale și de aviație, contribuind la scăderea costului total. Mai mult, cu peste un miliard de senzori livrați pentru aplicații auto în ultimii 25 de ani, fiabilitatea și calitatea senzorilor inerțiali MEMS s-au demonstrat a fi foarte ridicate. Senzorii MEMS au activat sisteme complexe de siguranță în caz de accident care pot detecta accidentele din orice direcție și pot activa în mod corespunzător dispozitivele de pretensionare a centurilor de siguranță și airbag-urile pentru a proteja ocupanții. Giroscopurile și accelerometrele cu stabilitate ridicată sunt, de asemenea, senzori cheie în comenzile de siguranță ale vehiculelor. Sistemele de automobile din ziua de azi folosesc pe scară largă senzorii inerțiali MEMS pentru a permite mașinilor mai sigure, cu o mai bună manevrabilitate, la costuri reduse și o fiabilitate excelentă. În prezent, există un interes extraordinar și investiții în tehnologia MEMS pentru multe aplicații. Pe lângă numeroasele calități atractive ale unui MEMS, senzorii inerțiali MEMS ajută și la atenuarea multor probleme de calitate care afectează alte materiale și arhitecturi. Senzorii inerțiali MEMS au fost utilizați în aplicații solicitante pentru consumatori, aviație și auto de mai bine de 25 de ani și au fost supuși la șocuri puternice și medii solicitante. A sosit momentul ca MEMS să pătrundă în continuare aplicațiile care cer performanțe mai mari, cum ar fi monitorizarea condițiilor? Este de așteptat ca performanța MEMS să continue să se îmbunătățească dramatic, oferind mai multe opțiuni pentru proiectanții de echipamente de monitorizare a stării și permițând o nouă generație de senzori inteligenți, senzori wireless și sisteme integrate vertical cu costuri reduse.

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje