Что нужно знать об акселерометрах MEMS для мониторинга состояния

На рынке появляется множество высокоинтегрированных и простых в развертывании продуктов для мониторинга состояния, в которых в качестве основного датчика используется акселерометр с микроэлектромеханической системой (MEMS). Эти экономичные продукты помогают снизить общую стоимость развертывания и владения и, в процессе этого, расширить круг объектов и оборудования, которые могут получить выгоду от программы мониторинга состояния. Твердотельные МЭМС-акселерометры обладают многими привлекательными атрибутами по сравнению с устаревшими механическими датчиками, но, к сожалению, их использование для мониторинга состояния ограничено приложениями, которые могут допускать использование датчиков с меньшей полосой пропускания для таких продуктов, как недорогие стандартные интеллектуальные датчики. Как правило, шумовые характеристики недостаточны для обслуживания диагностических приложений, требующих более низкого уровня шума в более высоких частотных диапазонах и полосах пропускания выше 10 кГц. Сегодня доступны малошумящие акселерометры MEMS с уровнями плотности шума от 10 мкг / √Гц до 100 мкг / √Гц, но ограничены полосой пропускания в несколько кГц. Это не помешало разработчикам продуктов для мониторинга состояния использовать МЭМС с шумовыми характеристиками, которые достаточно хороши для их новых концепций продукта и не зря. Являясь технологией, основанной на твердотельной электронике и встроенном оборудовании для производства полупроводников, МЭМС предлагает ряд убедительных и ценных преимуществ для разработчиков продуктов для мониторинга состояния. Помимо фактора производительности, вот основные причины, по которым акселерометры MEMS должны представлять интерес для всех, кто занимается мониторингом состояния.       Рисунок 1. Изображение инерционного МЭМС-акселерометра, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Пальцы из поликремния подвешены в полости без давления для обеспечения движения, а электрическая емкость, пропорциональная ускорению, измеряется смежной электроникой формирования сигнала. Начнем с размеров и веса. Для бортовых приложений, таких как системы мониторинга работоспособности и использования (HUMS), вес чрезвычайно высок, а затраты на топливо составляют тысячи долларов за фунт. При использовании нескольких датчиков, обычно устанавливаемых на платформе, можно добиться экономии веса, если можно уменьшить вес каждого датчика. Сегодня более производительное трехосное устройство MEMS в корпусе для поверхностного монтажа с площадью основания менее 6 мм × 6 мм может весить менее грамма. Этот небольшой размер и высокоинтегрированный характер многих продуктов MEMS также позволяют конструктору уменьшить размер окончательной упаковки, уменьшив вес. Интерфейс типичного устройства MEMS является однополярным, что упрощает управление и упрощает использование цифрового интерфейса, который также помогает сэкономить на стоимости и весе кабелей. Твердотельная электроника также может влиять на размер преобразователя. Триаксиальный модуль меньшего форм-фактора, установленный на печатной плате (PCB) и вставленный в герметичный корпус, подходящий для монтажа и прокладки кабелей на машине, может помочь создать меньший общий корпус, предлагая большую гибкость при установке и размещении на платформе. Кроме того, современные устройства MEMS могут включать в себя значительное количество интегрированной электроники преобразования сигнала с одним источником напряжения, обеспечивающей аналоговые или цифровые интерфейсы с очень низким энергопотреблением, что позволяет использовать беспроводные продукты с батарейным питанием. Например, ADXL355, трехосный акселерометр с высоким разрешением и стабильностью, имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Σ-Δ, с эффективным разрешением 18 бит и скоростью передачи данных 4 kSPS, и потребляет менее 65 мкА на ось. Топология схемы преобразования сигнала МЭМС с вариациями аналогового и цифрового выхода является общей и открывает разработчикам преобразователей возможность адаптировать датчик к более широкому спектру ситуаций, позволяя перейти к цифровым интерфейсам, обычно доступным в промышленных условиях. Например, микросхемы приемопередатчика RS-485 широко доступны, а протоколы открытого рынка, такие как Modbus RTU, доступны для загрузки в соседний микроконтроллер. Полное решение передатчика может быть спроектировано и размещено с использованием небольших микросхем для поверхностного монтажа, которые могут поместиться в относительно небольших областях печатной платы, которые затем могут быть вставлены в корпуса, которые могут поддерживать сертификаты устойчивости к окружающей среде, требующие герметичных или искробезопасных характеристик. МЭМС также продемонстрировала высокую устойчивость к изменениям в окружающей среде. Характеристики ударов современного поколения устройств заявлены до 10,000 XNUMX г, но на самом деле они могут выдерживать гораздо более высокие уровни, не влияя на характеристики чувствительности. Чувствительность может быть отрегулирована на автоматическом испытательном оборудовании (ATE) и спроектирована и изготовлена ​​так, чтобы быть стабильной во времени и температуре до 0.01 ° C для датчика высокого разрешения. Общая работа, включая характеристики сдвига смещения, может быть гарантирована в широком диапазоне температур, например от -40 ° C до + 125 ° C. Для монолитного трехосного датчика со всеми каналами на одной подложке обычно указывается чувствительность поперечной оси 1%. Наконец, как устройство, предназначенное для измерения вектора силы тяжести, акселерометр MEMS имеет отклик на постоянном токе, поддерживая плотность выходного шума почти на уровне постоянного тока, ограниченную только углом 1 / f электронного преобразования сигнала и, при тщательном проектировании, можно минимизировано до 0.01 Гц. Возможно, одним из самых больших преимуществ датчиков на основе МЭМС является возможность масштабирования производства. Поставщики MEMS поставляют большие объемы для мобильных устройств, планшетов и автомобильных приложений с 1990 года. Эти производственные мощности, связанные с производством полупроводников как для датчика MEMS, так и для микросхемы схемы преобразования сигнала, также доступны для промышленных и авиационных приложений, что помогает снизить общую стоимость. Более того, за последние 25 лет, когда для автомобильной промышленности было поставлено более миллиарда датчиков, надежность и качество инерциальных датчиков MEMS оказались очень высокими. Датчики MEMS позволили использовать сложные системы безопасности при столкновении, которые могут обнаруживать столкновения с любого направления и соответствующим образом активировать натяжители ремней безопасности и подушки безопасности для защиты пассажиров. Гироскопы и акселерометры с высокой стабильностью также являются ключевыми датчиками в системах безопасности транспортных средств. Сегодняшние автомобильные системы широко используют инерциальные датчики MEMS, чтобы сделать автомобили более безопасными и удобными при низких затратах и ​​превосходной надежности. В настоящее время существует огромный интерес и инвестиции в технологию MEMS для многих приложений. Помимо многих привлекательных качеств МЭМС, инерционные МЭМС-датчики также помогают решить многие проблемы с качеством, с которыми сталкиваются другие материалы и архитектуры. Инерционные датчики MEMS используются в требовательных потребительских, авиационных и автомобильных приложениях более 25 лет и подвергаются сильным ударам и жестким условиям окружающей среды. Пришло ли время для МЭМС и дальше проникать в приложения, требующие более высокой производительности, такие как мониторинг состояния? Ожидается, что производительность MEMS будет продолжать значительно улучшаться, предоставляя больше возможностей разработчикам оборудования для мониторинга состояния и позволяя создавать интеллектуальные датчики нового поколения, беспроводные датчики и недорогие вертикально интегрированные системы.

Оставить сообщение 

Список сообщений