Što trebate znati o MEMS akcelerometrima za praćenje stanja

Na tržištu se pojavljuju mnogi visoko integrirani proizvodi za praćenje stanja koji se lako primjenjuju, a koji koriste senzor ubrzanja mikroelektromehaničkog sustava (MEMS) kao senzor jezgre. Ovi ekonomični proizvodi pomažu u smanjenju ukupnih troškova implementacije i vlasništva te u tom procesu proširuju svemir objekata i opreme koji mogu imati koristi od programa praćenja stanja. MEMS akcelerometri u čvrstom stanju imaju mnoge atraktivne atribute u usporedbi sa naslijeđenim mehaničkim senzorima, ali nažalost njihova je upotreba za praćenje stanja ograničena na aplikacije koje mogu tolerirati uporabu senzora niže propusnosti za proizvode poput jeftinih, standardnih pametnih senzora. Općenito, performanse šuma nisu dovoljno niske za opsluživanje dijagnostičkih aplikacija koje zahtijevaju nižu buku u višim frekvencijskim rasponima i propusnosti iznad 10 kHz. MEMS akcelerometri s niskim šumom dostupni su danas s razinama gustoće šuma od 10 µg/√Hz do 100 µg/√Hz, ali su ograničeni na nekoliko kHz propusnosti. To dizajnere proizvoda za praćenje stanja nije spriječilo da koriste MEMS s performansama buke koje su dovoljno dobre u njihovim novim konceptima proizvoda i s dobrim razlogom. Kao tehnologija koja se temelji na elektronici u čvrstom stanju i ugrađenim pogonima za proizvodnju poluvodiča, MEMS nudi nekoliko uvjerljivih i vrijednih prednosti dizajneru proizvoda za praćenje stanja. Ostavljajući po strani faktor performansi, evo glavnih razloga zašto bi MEMS akcelerometri trebali biti zanimljivi svima u području praćenja stanja.       Slika 1. Slika skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM) inercijalnog akcelerometra MEMS. Polisilicijevi prsti suspendirani su u šupljini pod tlakom kako bi se omogućilo kretanje, a električni kapacitet proporcionalan ubrzanju mjeri se susjednom elektronikom za kondicioniranje signala. Počnimo s veličinom i težinom. Za primjene u zraku, poput sustava za nadzor zdravlja i uporabe (HUMS), težina je izuzetno skupa, s troškovima goriva od tisuće dolara po kilogramu. S više senzora koji su obično postavljeni na platformi, može se uštedjeti ako se težina svakog senzora može smanjiti. Danas troosni MEMS uređaj boljih performansi u paketu za površinsko postavljanje s otiskom manjim od 6 mm × 6 mm može težiti manje od grama. Ova mala veličina i visoko integrirana priroda mnogih MEMS proizvoda također omogućuju dizajneru da smanji veličinu konačnog pakiranja, smanjujući težinu. Sučelje tipičnog MEMS uređaja ima jedno napajanje što olakšava upravljanje i lakše se posuđuje digitalnom sučelju koje također može uštedjeti na cijeni i težini kabela. Elektronika u čvrstom stanju također može utjecati na veličinu sonde. Manji oblik, troosni, montiran na tiskanu ploču (PCB) i umetnut u hermetičko kućište prikladno za ugradnju i kabliranje na stroju, može pomoći u omogućavanju manjeg ukupnog paketa, nudeći veću fleksibilnost ugradnje i postavljanja na platformu. Osim toga, današnji MEMS uređaji mogu uključivati ​​značajne količine integrirane, jednonaponske elektronike za kondicioniranje signala napajanja, pružajući analogna ili digitalna sučelja s vrlo niskom snagom za pomoć u omogućavanju bežičnih proizvoda na baterije. Na primjer, ADXL355, troosni akcelerometar visoke rezolucije i visoke stabilnosti ima integrirani Σ-Δ analogno-digitalni pretvarač (ADC), s učinkovitom rezolucijom od 18 bita i izlaznom brzinom prijenosa podataka od 4 kSPS, a troši manje od 65 µA po osi. Topologija sklopa za kondicioniranje signala MEMS s varijacijama analognog i digitalnog izlaza zajednička je i otvara mogućnosti dizajneru pretvarača da senzor prilagodi širokom rasponu situacija, omogućujući prijelaz na digitalna sučelja uobičajeno dostupna u industrijskim okruženjima. Na primjer, primopredajnički čipovi RS-485 široko su dostupni, a protokoli na otvorenom tržištu, poput Modbus RTU, dostupni su za učitavanje u susjedni mikrokontroler. Cjelovito rješenje odašiljača može se projektirati i postaviti s malim čipovima za površinsko montiranje koji se mogu uklopiti u relativno mala područja PCB-a, a koji se zatim mogu umetnuti u pakete koji podržavaju certifikate o ekološkoj robusnosti koji zahtijevaju hermetičke ili intrinzično sigurne karakteristike. MEMS se pokazao vrlo otpornim i na promjene u okolišu. Specifikacije šoka današnje generacije uređaja iznose 10,000 g, ali u stvarnosti mogu podnijeti mnogo veće razine bez utjecaja na specifikacije osjetljivosti. Osjetljivost se može smanjiti na automatskoj ispitnoj opremi (ATE) i projektirati i konstruirati tako da bude stabilna tijekom vremena i temperature do 0.01 ° C za senzor visoke razlučivosti. Cjelokupni rad, uključujući specifikacije pomaka pomaka, može se jamčiti za široke raspone temperatura, poput -40 ° C do +125 ° C. Za monolitni troosni senzor sa svim kanalima na istoj podlozi obično se navodi osjetljivost poprečne osi od 1%. Konačno, kao uređaj dizajniran za mjerenje vektora gravitacije, MEMS akcelerometar ima dc odziv, održavajući izlaznu šumovitu gustoću na dc, ograničenu samo 1/f kutom elektroničkog kondicioniranja signala i, uz pažljivo projektiranje, može se minimiziran na 0.01 Hz. Možda je jedna od najvećih prednosti senzora temeljenih na MEMS-u mogućnost povećavanja proizvodnje. Dobavljači MEMS -a isporučuju velike količine mobilnih telefona, tableta i aplikacija za automobile od 1990. Ova proizvodna sposobnost smještena u proizvodnim pogonima poluvodiča za MEMS senzor i čip kruga za kondicioniranje signala dostupna je i za industrijske i zrakoplovne primjene, čime se snižavaju ukupni troškovi. Štoviše, s više od milijardu senzora isporučenih za automobilske primjene u posljednjih 25 godina, pokazalo se da su pouzdanost i kvaliteta inercijskih senzora MEMS vrlo visoki. MEMS senzori omogućili su složene sustave zaštite od sudara koji mogu detektirati sudar iz bilo kojeg smjera i na odgovarajući način aktivirati zatezače pojaseva i zračne jastuke kako bi zaštitili putnike. Žiroskopi i mjerači ubrzanja visoke stabilnosti također su ključni senzori u sigurnosnim kontrolama vozila. Današnji automobilski sustavi uvelike koriste MEMS inercijske senzore kako bi omogućili sigurnije, bolje rukovanje automobilima po niskim cijenama i izvrsnoj pouzdanosti. Trenutno postoji ogroman interes i ulaganje u MEMS tehnologiju za mnoge primjene. Osim mnogih atraktivnih kvaliteta MEMS -a, inercijski senzori MEMS -a također pomažu u ublažavanju mnogih problema s kvalitetom koji muče druge materijale i arhitekture. MEMS inercijski senzori koriste se u zahtjevnim potrošačkim, zrakoplovnim i automobilskim aplikacijama više od 25 godina i bili su izloženi visokim šokovima i zahtjevnim okruženjima. Je li došlo vrijeme da MEMS dodatno prodre u aplikacije koje zahtijevaju veće performanse, poput praćenja stanja? U potpunosti se očekuje da će se performanse MEMS -a nastaviti dramatično poboljšavati, pružajući više mogućnosti dizajnerima opreme za praćenje stanja i omogućiti novu generaciju pametnih senzora, bežičnih senzora i jeftinih, vertikalno integriranih sustava.

Ostavite poruku 

Lista Poruka