Vad du behöver veta om MEMS -accelerometrar för tillståndsövervakning

Många högintegrerade och lättanvända tillståndsövervakningsprodukter som använder en accelerometer för mikroelektromekaniskt system (MEMS) när kärnsensorn dyker upp på marknaden. Dessa ekonomiska produkter bidrar till att minska de totala kostnaderna för distribution och ägande och i processen utöka universum av anläggningar och utrustning som kan dra nytta av ett tillståndsövervakningsprogram. Solid-state MEMS-accelerometrar har många attraktiva attribut jämfört med äldre mekaniska sensorer, men tyvärr har deras användning för tillståndsövervakning begränsats till applikationer som tål användning av sensorer med lägre bandbredd för produkter som lågkostnadsstandardbaserade smarta sensorer. I allmänhet är brusprestandan inte tillräckligt låg för att betjäna diagnostiska applikationer som kräver lägre brus över högre frekvensområden och bandbredder över 10 kHz. Lågbrusiga MEMS -accelerometrar är tillgängliga idag med brusdensitetsnivåer från 10 µg/√Hz till 100 µg/√Hz, men är begränsade till några kHz bandbredd. Detta har inte stoppat tillståndsövervakning av produktdesigners från att använda en MEMS med brusprestanda som bara är tillräckligt bra i deras nya produktkoncept och av goda skäl. Som en teknik baserad på solid state-elektronik och inbyggda anläggningar för tillverkning av halvledare erbjuder MEMS flera övertygande och värdefulla fördelar för designern av tillståndsövervakningsprodukter. Bortsett från prestandafaktorn, här är de främsta orsakerna till att MEMS -accelerometrar bör vara av intresse för alla inom tillståndsövervakning.       Figur 1. En avsökande elektronmikroskopbild (SEM) av en tröghetsmätare för MEMS -acceleration. Polysilikonfingrar är upphängda i en trycksatt hålighet för att möjliggöra rörelse och elektrisk kapacitans proportionell mot acceleration mäts av intilliggande signalkonditioneringselektronik. Låt oss börja med storlek och vikt. För luftburna applikationer, till exempel i hälso- och användningsövervakningssystem (HUMS), är vikten extremt dyr, med bränslekostnader på tusentals dollar per pund. Med flera sensorer som vanligtvis används på en plattform kan viktbesparingar åtnjutas om vikten på varje sensor kan minskas. Idag kan en högre prestanda triaxial MEMS-enhet i ett ytmonterat paket med mindre än 6 mm × 6 mm i fotavtryck väga mindre än ett gram. Denna lilla storlek och den mycket integrerade karaktären hos många MEMS -produkter gör det också möjligt för designern att krympa storleken på det slutliga paketet, vilket minskar vikten. Gränssnittet för en typisk MEMS -enhet är en enda leverans, vilket gör det enklare att hantera och lättare låna sig till ett digitalt gränssnitt som också kan hjälpa till att spara på kostnader och vikt på kablar. Solid-state-elektronik kan också påverka givarens storlek. En mindre formfaktor triaxial monterad på ett kretskort (PCB) och insatt i ett hermetiskt hölje lämpligt för montering och kablar på en maskin, kan hjälpa till att möjliggöra ett mindre helhetspaket, vilket ger mer monterings- och placeringsflexibilitet på plattformen. Dessutom kan dagens MEMS-enheter innehålla betydande mängder integrerad, enspänningsförsörjningssignalkonditioneringselektronik, som ger analoga eller digitala gränssnitt med mycket låg effekt för att möjliggöra batteridrivna trådlösa produkter. Till exempel har ADXL355, en högupplöst, högstabil triaxiell accelerometer en integrerad Σ-Δ analog-till-digital-omvandlare (ADC), med en effektiv upplösning på 18 bitar och en utdatahastighet på 4 kSPS, och förbrukar mindre än 65 µA per axel. Topologin för en MEMS -signalkonditioneringskrets med både analoga och digitala utgångsvariationer är vanlig och öppnar möjligheter för givardesignern att anpassa sensorn till en större variation av situationer, vilket möjliggör en övergång till digitala gränssnitt som är vanligt tillgängliga i industriella miljöer. Till exempel är RS-485-sändtagarmottagare allmänt tillgängliga och öppna marknadsprotokoll, till exempel Modbus RTU, är tillgängliga för laddning i en intilliggande mikrokontroller. En komplett sändarlösning kan utformas och läggas ut med små fotavtryck ytmonterade chips som ryms inom relativt små PCB-områden, som sedan kan sättas in i förpackningar som kan stödja miljö robusthetscertifieringar som kräver hermetiska eller egensäkra egenskaper. Ett MEMS har också visat sig vara mycket robust mot förändringar i miljön. Chockspecifikationerna för dagens generation av enheter anges till 10,000 XNUMX g, men kan i realiteten tåla mycket högre nivåer utan påverkan på känslighetsspecifikationer. Känslighet kan trimmas på automatisk testutrustning (ATE) och utformas och konstrueras för att vara stabil över tid och temperatur till 0.01 ° C för en högupplöst sensor. Övergripande drift, inklusive offset -skiftspecifikationer, kan garanteras för breda temperaturintervaller, som −40 ° C till +125 ° C. För en monolitisk triaxialsensor med alla kanaler på samma substrat specificeras vanligen en axelkänslighet på 1%. Slutligen, som en enhet som är utformad för att mäta gravitationens vektor, har en MEMS -accelerometer ett likspänningssvar, vilket bibehåller utgångsbrusdensiteten till nära likström, begränsad endast av 1/f -hörnet av den elektroniska signalkonditioneringen och kan med noggrann design vara minimeras till 0.01 Hz. Kanske en av de största fördelarna med MEMS-baserade sensorer är möjligheten att skala upp tillverkningen. MEMS -leverantörer har levererat stora volymer för mobiler, surfplattor och fordonsapplikationer sedan 1990. Denna tillverkningskapacitet som finns i halvledartillverkningsanläggningar för både MEMS -sensorn och signalkonditioneringskretschipet är också tillgänglig för industri- och luftfartstillämpningar, vilket hjälper till att sänka den totala kostnaden. Med mer än en miljard sensorer levererade för fordonsapplikationer under de senaste 25 åren har tillförlitligheten och kvaliteten på MEMS -tröghetssensorer visat sig vara mycket hög. MEMS -sensorer har möjliggjort komplexa krocksäkerhetssystem som kan upptäcka kraschar från alla håll och på lämpligt sätt aktivera säkerhetsbältesspännare och krockkuddar för att skydda passagerarna. Gyroskop och högstabilitetsaccelerometrar är också nyckelsensorer i fordonets säkerhetskontroller. Dagens bilsystem använder omfattande MEMS -tröghetssensorer för att möjliggöra säkrare, bättre hanteringsbilar till låg kostnad och utmärkt tillförlitlighet. För närvarande finns det ett enormt intresse och investeringar i MEMS -teknik för många applikationer. Förutom de många attraktiva egenskaperna hos en MEMS hjälper MEMS tröghetssensorer också till att lindra många av de kvalitetsproblem som plågar andra material och arkitekturer. MEMS tröghetssensorer har använts i krävande konsument-, luftfarts- och fordonsapplikationer i mer än 25 år och har utsatts för hög chock och krävande miljöer. Har det blivit dags för MEMS att ytterligare tränga in i applikationer som kräver högre prestanda, till exempel tillståndsövervakning? Det förväntas fullt ut att prestandan för MEMS kommer att fortsätta att förbättras dramatiskt, vilket ger fler alternativ för konstruktörer av utrustning för tillståndsövervakning och möjliggör en ny generation smarta sensorer, trådlösa sensorer och lågkostnads ​​vertikalt integrerade system.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC