關於狀態監控的MEMS加速度計您需要知道哪些

2020-11-29 電子產品世界

編者按：市場上出現的很多採用微型機電系統(MEMS)加速度計作為核心傳感器的高度集成和易於部署的狀態監控產品。這些經濟產品有助於減少總體部署和擁有成本，並且可在該過程中擴展受益於狀態監控項目的通用設施和設備。

作者 Ed Spence ADI公司工業傳感器業務部營銷經理

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201703/345949.htm

摘要：市場上出現的很多採用微型機電系統(MEMS)加速度計作為核心傳感器的高度集成和易於部署的狀態監控產品。這些經濟產品有助於減少總體部署和擁有成本，並且可在該過程中擴展受益於狀態監控項目的通用設施和設備。

引言

　　與傳統機械式傳感器相比，固態MEMS加速度計具有多種有吸引力的屬性，但遺憾的是，它們在狀態監控方面的用途受到限制，局限於對低成本標準智能傳感器之類產品可使用較低帶寬傳感器的應用。一般來說，噪聲性能不夠低，診斷性應用要求高頻率範圍具有低噪聲，帶寬超過10 kHz。當前的低噪聲MEMS加速度計，其噪聲密度水平介於10 µg/√Hz和100 µg/√Hz之間，但帶寬只有幾kHz。這並沒有妨礙狀態監控產品設計師在新產品中使用噪音性能優良的MEMS。作為一項基於固態電子器件和內置半導體製造設施技術，MEMS向狀態監控產品設計師提供了幾個極具吸引力且有價值的優勢。撇開性能因素，圖1所示是狀態監控領域的任何人都應對MEMS加速度計感興趣的主要原因(多晶矽指懸浮在減壓腔，從而可通過相鄰信號調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

　　對於機載應用，例如健康和使用監控系統(HUMS)，重量非常昂貴，每磅燃料花費數千美元。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，則可做到節約重量。如今，一個具有小於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產品的小尺寸和高度集成特性同樣能使設計師縮小最終封裝的尺寸，減輕重量。典型MEMS設備的接口是單電源，使其更易管理且更適合有助於節約成本和電纜重量的數字接口。

　　固態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，並插入封閉外殼中，適合在機器上安裝和布線，有助於實現更小的整體封裝，能夠在平臺上靈活放置安裝更多的器件。此外，如今的MEMS設備可包括大量集成、單電壓信號調理電子器件，提供具有極低功耗的模擬和數字接口來幫助實現電池供電的無線產品。例如，高解析度，高穩定性三軸加速度計ADXL355具有集成Σ-Δ模數轉換器(ADC)，18位有效解析度和4 kSPS輸出數據速率，每軸功耗低於65 µA。

　　同時提供模擬、數字輸出的MEMS信號調理電路拓撲結構很常見，因而傳感器設計人員擁有更多選擇，使傳感器適應各種各樣的情況，並且可以轉換到工業設置中可用的數字接口。例如，RS-485收發器晶片使用廣泛，並且遵守開放市場協議，如Modbus RTU，可加載到相鄰微控制器中。完整的發射器解決方案可採用小尺寸表貼晶片設計和布局，適用於小型PCB區域，可插入支持環境魯棒性認證所需密封性或固有安全特性的封裝。

　　事實證明，MEMS也能夠很好地應對環境的變化。如今新一代設備的衝擊規格已達到10000g，但是實際上它可承受更高水平的衝擊，且不影響靈敏度規格。靈敏度可在自動測試設備(ATE)上調整，可針對高解析度傳感器隨時間和0.01℃溫度精度的穩定性設計和構建。可在-40℃到+125℃的較寬溫度範圍內保證整體運行性能，包括失調偏移參數。對於所有通道都在同一基板上的單晶片三軸傳感器，通常指定1%的跨軸靈敏度。最後，作為用於測量重力矢量的設備，MEMS加速度計提供直流響應，輸出噪聲密度保持在直流附近，僅受電子信號調理1/f轉折頻率限制，通過精心設計，可達到最低0.01Hz。

2 大規模生產

　　或許基於MEMS傳感器的最大優勢之一是能夠擴大生產規模。自1990年以來，MEMS供應商已向手機、平板電腦和汽車應用市場供應大量產品。MEMS傳感器和信號調理電路晶片在半導體製造設備中的生產能力，也可用於工業和航空領域，有助於降低總體成本。此外，過去25年來，汽車應用領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量都很高。MEMS傳感器具有複雜的防撞安全系統，可檢測任意方向的撞擊，並適時激活安全帶收緊裝置和安全氣囊來保護乘客。陀螺儀和高穩定性加速度計也是車輛安全控制應用的關鍵傳感器。如今的汽車系統廣泛應用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 結論

　　目前，對於很多應用領域，MEMS技術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外，MEMS慣性傳感器也有助於減少很多影響其他材料和架構的質量問題。MEMS慣性傳感器已經在要求嚴苛的消費電子、航空和汽車應用中使用了超過25年，經受過高衝擊和嚴苛環境的考驗。MEMS進一步深入要求嚴苛的高性能應用領域的時機是否成熟，例如狀態監控?預計MEMS的性能將會持續大幅提升，為狀態監控設備設計人員提供更多選項，進而實現新一代智能傳感器、無線傳感器以及低成本、垂直集成系統。敬請關注該主題未來發展的更多信息。


　　本文來源於《電子產品世界》2017年第4期第76頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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