關(guān)于狀態(tài)監控的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(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

摘要：市場(chǎng)上出現的很多采用微型機電系統(MEMS)加速度計作為核心傳感器的高度集成和易于部署的狀態(tài)監控產(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(guò)程中擴展受益于狀態(tài)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(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)監控方面的用途受到限制，局限于對低成本標準智能傳感器之類(lèi)產(chǎn)品可使用較低帶寬傳感器的應用。一般來(lái)說(shuō)，噪聲性能不夠低，診斷性應用要求高頻率范圍具有低噪聲，帶寬超過(guò)10 kHz。當前的低噪聲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(méi)有妨礙狀態(tài)監控產(chǎn)品設計師在新產(chǎn)品中使用噪音性能優(yōu)良的MEMS。作為一項基于固態(tài)電子器件和內置半導體制造設施技術(shù)，MEMS向狀態(tài)監控產(chǎn)品設計師提供了幾個(gè)極具吸引力且有價(jià)值的優(yōu)勢。撇開(kāi)性能因素，圖1所示是狀態(tài)監控領(lǐng)域的任何人都應對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(guò)相鄰信號調理電子器件測量與加速度成正比的運動(dòng)和電容)。

1 尺寸和重量

　　對于機載應用，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(gè)傳感器，如果可減少每個(gè)傳感器的重量，則可做到節約重量。如今，一個(gè)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于節約成本和電纜重量的數字接口。

　　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，適合在機器上安裝和布線(xiàn)，有助于實(shí)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(lái)幫助實(shí)現電池供電的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品。例如，高分辨率，高穩定性三軸加速度計ADXL355具有集成Σ-Δ模數轉換器(ADC)，18位有效分辨率和4 kSPS輸出數據速率，每軸功耗低于65 μA。

　　同時(shí)提供模擬、數字輸出的MEMS信號調理電路拓撲結構很常見(jiàn)，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，并且可以轉換到工業(yè)設置中可用的數字接口。例如，RS-485收發(fā)器芯片使用廣泛，并且遵守開(kāi)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計和布局，適用于小型PCB區域，可插入支持環(huán)境魯棒性認證所需密封性或固有安全特性的封裝。

　　事實(shí)證明，MEMS也能夠很好地應對環(huán)境的變化。如今新一代設備的沖擊規格已達到10000g，但是實(shí)際上它可承受更高水平的沖擊，且不影響靈敏度規格。靈敏度可在自動(dòng)測試設備(ATE)上調整，可針對高分辨率傳感器隨時(shí)間和0.01℃溫度精度的穩定性設計和構建?？稍?40℃到+125℃的較寬溫度范圍內保證整體運行性能，包括失調偏移參數。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(guò)精心設計，可達到最低0.01Hz。

2 大規模生產(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)規模。自1990年以來(lái)，MEMS供應商已向手機、平板電腦和汽車(chē)應用市場(chǎng)供應大量產(chǎn)品。MEMS傳感器和信號調理電路芯片在半導體制造設備中的生產(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(guò)去25年來(lái)，汽車(chē)應用領(lǐng)域已安裝了超過(guò)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傳感器具有復雜的防撞安全系統，可檢測任意方向的撞擊，并適時(shí)激活安全帶收緊裝置和安全氣囊來(lái)保護乘客。陀螺儀和高穩定性加速度計也是車(chē)輛安全控制應用的關(guān)鍵傳感器。如今的汽車(chē)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(chē)、保障安全。

3 結論

　　目前，對于很多應用領(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的質(zhì)量問(wèn)題。MEMS慣性傳感器已經(jīng)在要求嚴苛的消費電子、航空和汽車(chē)應用中使用了超過(guò)25年，經(jīng)受過(guò)高沖擊和嚴苛環(huán)境的考驗。MEMS進(jìn)一步深入要求嚴苛的高性能應用領(lǐng)域的時(shí)機是否成熟，例如狀態(tài)監控?預計MEMS的性能將會(huì )持續大幅提升，為狀態(tài)監控設備設計人員提供更多選項，進(jìn)而實(shí)現新一代智能傳感器、無(wú)線(xiàn)傳感器以及低成本、垂直集成系統。敬請關(guān)注該主題未來(lái)發(fā)展的更多信息。

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