狀態(tài)監(jiān)控中的MEMS加速度計(jì)的介紹和應(yīng)用范圍

市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多采用微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)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(jì)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(kuò)展受益于狀態(tài)監(jiān)控項(xiàng)目的通用設(shè)施和設(shè)備。與傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器相比，固態(tài)MEMS加速度計(jì)具有多種有吸引力的屬性，但遺憾的是，它們?cè)跔顟B(tài)監(jiān)控方面的用途受到限制，局限于對(duì)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(jì)，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(jì)師在新產(chǎn)品中使用噪音性能優(yōu)良的MEMS。作為一項(xiàng)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(jì)師提供了幾個(gè)極具吸引力且有價(jià)值的優(yōu)勢(shì)。撇開性能因素，下面是狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域的任何人都應(yīng)對(duì)MEMS加速度計(jì)感興趣的主要原因。

圖1 慣性MEMS加速度計(jì)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，多晶硅指懸浮在減壓腔，從而可通過相鄰信號(hào)調(diào)理電子器件測(cè)量與加速度成正比的運(yùn)動(dòng)和電容我們先從尺寸和重量開始。對(duì)于機(jī)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(fèi)數(shù)千美元。平臺(tái)上通常部署多個(gè)傳感器，如果可減少每個(gè)傳感器的重量，則可做到節(jié)約重量。如今，一個(gè)具有小于6 mm × 6 mm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(jì)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(huì)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(jī)器上安裝和布線，有助于實(shí)現(xiàn)更小的整體封裝，能夠在平臺(tái)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(hào)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(shí)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(jì)ADXL355具有集成∑-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(shí)提供模擬、數(shù)字輸出的MEMS信號(hào)調(diào)理電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很常見，因而傳感器設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jì)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(shí)證明，MEMS也能夠很好地應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。如今新一代設(shè)備的沖擊規(guī)格已達(dá)到10,000 g，但是實(shí)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(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)上調(diào)整，可針對(duì)高分辨率傳感器隨時(shí)間和0.01°C溫度精度的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和構(gòu)建?？稍?0°C到+125°C的較寬溫度范圍內(nèi)保 證整體運(yùn)行性能，包括失調(diào)偏移參數(shù)。對(duì)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(cè)量重力矢量的設(shè)備，MEMS加速度計(jì)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(hào)調(diào)理1/f轉(zhuǎn)折頻率限制，通過精心設(shè)計(jì)，可達(dá)到最低0.01 Hz?；蛟S基于MEMS傳感器的最大優(yōu)勢(shì)之一是能夠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。自1990年以來，MEMS供應(yīng)商已向手機(jī)、平板電腦和汽車應(yīng)用市場(chǎng)供應(yīng)大量產(chǎn)品。MEMS傳感器和信號(hào)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(gè)傳感器，事實(shí)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(cè)任意方向的撞擊，并適時(shí)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(jì)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。目前，對(duì)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(fèi)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(yàn)。MEMS進(jìn)一步深入要求嚴(yán)苛的高性能應(yīng)用領(lǐng)域的時(shí)機(jī)是否成熟，例如狀態(tài)監(jiān)控？預(yù)計(jì)MEMS的性能將會(huì)持續(xù)大幅提升，為狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供更多選項(xiàng)，進(jìn)而實(shí)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)。