關(guān)于狀態(tài)監(jiān)控的MEMS加速度計您需要知道哪些

作者 Ed Spence ADI公司工業(yè)傳感器業(yè)務(wù)部營銷經(jīng)理

摘要：市場上出現(xiàn)的很多采用微型機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計作為核心傳感器的高度集成和易于部署的狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品。這些經(jīng)濟產(chǎn)品有助于減少總體部署和擁有成本，并且可在該過程中擴展受益于狀態(tài)監(jiān)控項目的通用設(shè)施和設(shè)備。

引言

　　與傳統(tǒng)機械式傳感器相比，固態(tài)MEMS加速度計具有多種有吸引力的屬性，但遺憾的是，它們在狀態(tài)監(jiān)控方面的用途受到限制，局限于對低成本標(biāo)準(zhǔn)智能傳感器之類產(chǎn)品可使用較低帶寬傳感器的應(yīng)用。一般來說，噪聲性能不夠低，診斷性應(yīng)用要求高頻率范圍具有低噪聲，帶寬超過10 kHz。當(dāng)前的低噪聲MEMS加速度計，其噪聲密度水平介于10 μg/√Hz和100 μg/√Hz之間，但帶寬只有幾kHz。這并沒有妨礙狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品設(shè)計師在新產(chǎn)品中使用噪音性能優(yōu)良的MEMS。作為一項基于固態(tài)電子器件和內(nèi)置半導(dǎo)體制造設(shè)施技術(shù)，MEMS向狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品設(shè)計師提供了幾個極具吸引力且有價值的優(yōu)勢。撇開性能因素，圖1所示是狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域的任何人都應(yīng)對MEMS加速度計感興趣的主要原因(多晶硅指懸浮在減壓腔，從而可通過相鄰信號調(diào)理電子器件測量與加速度成正比的運動和電容)。

1 尺寸和重量

　　對于機載應(yīng)用，例如健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)，重量非常昂貴，每磅燃料花費數(shù)千美元。平臺上通常部署多個傳感器，如果可減少每個傳感器的重量，則可做到節(jié)約重量。如今，一個具有小于6mm×6mm表貼封裝更高性能的三軸MEMS重量可以不到一克。很多MEMS產(chǎn)品的小尺寸和高度集成特性同樣能使設(shè)計師縮小最終封裝的尺寸，減輕重量。典型MEMS設(shè)備的接口是單電源，使其更易管理且更適合有助于節(jié)約成本和電纜重量的數(shù)字接口。

　　固態(tài)電子器件也會影響傳感器的尺寸。在印刷電路板(PCB)上安裝更小尺寸的三軸器件，并插入封閉外殼中，適合在機器上安裝和布線，有助于實現(xiàn)更小的整體封裝，能夠在平臺上靈活放置安裝更多的器件。此外，如今的MEMS設(shè)備可包括大量集成、單電壓信號調(diào)理電子器件，提供具有極低功耗的模擬和數(shù)字接口來幫助實現(xiàn)電池供電的無線產(chǎn)品。例如，高分辨率，高穩(wěn)定性三軸加速度計ADXL355具有集成Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，18位有效分辨率和4 kSPS輸出數(shù)據(jù)速率，每軸功耗低于65 μA。

　　同時提供模擬、數(shù)字輸出的MEMS信號調(diào)理電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很常見，因而傳感器設(shè)計人員擁有更多選擇，使傳感器適應(yīng)各種各樣的情況，并且可以轉(zhuǎn)換到工業(yè)設(shè)置中可用的數(shù)字接口。例如，RS-485收發(fā)器芯片使用廣泛，并且遵守開放市場協(xié)議，如Modbus RTU，可加載到相鄰微控制器中。完整的發(fā)射器解決方案可采用小尺寸表貼芯片設(shè)計和布局，適用于小型PCB區(qū)域，可插入支持環(huán)境魯棒性認(rèn)證所需密封性或固有安全特性的封裝。

　　事實證明，MEMS也能夠很好地應(yīng)對環(huán)境的變化。如今新一代設(shè)備的沖擊規(guī)格已達(dá)到10000g，但是實際上它可承受更高水平的沖擊，且不影響靈敏度規(guī)格。靈敏度可在自動測試設(shè)備(ATE)上調(diào)整，可針對高分辨率傳感器隨時間和0.01℃溫度精度的穩(wěn)定性設(shè)計和構(gòu)建?？稍?40℃到+125℃的較寬溫度范圍內(nèi)保證整體運行性能，包括失調(diào)偏移參數(shù)。對于所有通道都在同一基板上的單芯片三軸傳感器，通常指定1%的跨軸靈敏度。最后，作為用于測量重力矢量的設(shè)備，MEMS加速度計提供直流響應(yīng)，輸出噪聲密度保持在直流附近，僅受電子信號調(diào)理1/f轉(zhuǎn)折頻率限制，通過精心設(shè)計，可達(dá)到最低0.01Hz。

2 大規(guī)模生產(chǎn)

　　或許基于MEMS傳感器的最大優(yōu)勢之一是能夠擴大生產(chǎn)規(guī)模。自1990年以來，MEMS供應(yīng)商已向手機、平板電腦和汽車應(yīng)用市場供應(yīng)大量產(chǎn)品。MEMS傳感器和信號調(diào)理電路芯片在半導(dǎo)體制造設(shè)備中的生產(chǎn)能力，也可用于工業(yè)和航空領(lǐng)域，有助于降低總體成本。此外，過去25年來，汽車應(yīng)用領(lǐng)域已安裝了超過十億個傳感器，事實證明，MEMS慣性傳感器的可靠性和質(zhì)量都很高。MEMS傳感器具有復(fù)雜的防撞安全系統(tǒng)，可檢測任意方向的撞擊，并適時激活安全帶收緊裝置和安全氣囊來保護(hù)乘客。陀螺儀和高穩(wěn)定性加速度計也是車輛安全控制應(yīng)用的關(guān)鍵傳感器。如今的汽車系統(tǒng)廣泛應(yīng)用MEMS慣性傳感器，以低成本和高度可靠性掌控汽車、保障安全。

3 結(jié)論

　　目前，對于很多應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS技術(shù)都具有巨大的利益和投資潛力。MEMS除了擁有很多出眾的品質(zhì)外，MEMS慣性傳感器也有助于減少很多影響其他材料和架構(gòu)的質(zhì)量問題。MEMS慣性傳感器已經(jīng)在要求嚴(yán)苛的消費電子、航空和汽車應(yīng)用中使用了超過25年，經(jīng)受過高沖擊和嚴(yán)苛環(huán)境的考驗。MEMS進(jìn)一步深入要求嚴(yán)苛的高性能應(yīng)用領(lǐng)域的時機是否成熟，例如狀態(tài)監(jiān)控?預(yù)計MEMS的性能將會持續(xù)大幅提升，為狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備設(shè)計人員提供更多選項，進(jìn)而實現(xiàn)新一代智能傳感器、無線傳感器以及低成本、垂直集成系統(tǒng)。敬請關(guān)注該主題未來發(fā)展的更多信息。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第76頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。