MEMS加速度計性能已臻成熟

作者 / Ed Spence ADI公司高性能慣性技術(shù)部市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

摘要：本文通過(guò)回顧一些數據來(lái)說(shuō)明MEMS技術(shù)的發(fā)展狀況及性能水平，并將其與商用壓電(PZT)狀態(tài)監控加速度計進(jìn)行比較。

引言

　　對MEMS工藝技術(shù)的投資及設計創(chuàng )新已大大改善了MEMS的性能，使得MEMS足以成為更廣泛狀態(tài)監控應用的可行選擇。采用專(zhuān)門(mén)化MEMS結構和工藝技術(shù)，現在已實(shí)現諧振頻率高達50KHz、噪聲密度低至25 μg/√Hz的加速度計。通過(guò)精心設計的信號調理電子電路，可以充分發(fā)揮此類(lèi)新型加速度計的低噪聲優(yōu)勢。

性能和比較數據

　　為了評估最新MEMS加速度計是否適合狀態(tài)監控應用，我們對其和一款商用PZT型狀態(tài)監控加速度計進(jìn)行了對照測量。為確保這兩種傳感器具有相似的質(zhì)量并受到相同激勵信號作用，我們將MEMS傳感器粘附于PZT傳感器的外殼。與PZT傳感器一樣，MEMS加速度計的單電源模擬輸出直接輸入到同一數據記錄儀的模擬輸入通道。一個(gè)數據采集儀(DAQ)用作這些實(shí)驗的采集系統。

電機未對準仿真

　　在振動(dòng)測試儀上重建了一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景，例如在基于振動(dòng)的狀態(tài)監控中所述的場(chǎng)景，以便利用已知激勵信號比較器件。本例展示了一臺以5100rpm(85Hz)運轉的汽輪機和一臺未對準的3000rpm(50Hz)同步發(fā)電機的振動(dòng)水平。該場(chǎng)景說(shuō)明的是采用隨機振動(dòng)測試模式時(shí)，振動(dòng)系統經(jīng)編程所產(chǎn)生的頻率和振幅。表1列出了兩個(gè)器件在目標頻率的振幅測量結果。

　　圖2顯示了21KHz諧振頻率的MEMS加速度計和25KHz諧振頻率的PZT傳感器的頻譜測量結果。由圖2可知，在高達10KHz時(shí)，結果幾乎相同，主要差別在MEMS加速度計的低頻響應，MEMS加速度計在1Hz至1KHz頻段中的均方根(rms)輸出要比PZT加速度計高出大約30mg或1.7%。

　　不同于PZT器件，MEMS器件具有低頻響應性能(可測量0.1Hz時(shí)的1/f)，對于風(fēng)輪機等超低頻率機器，需要關(guān)注此點(diǎn)(它還支持更快速地從飽和狀態(tài)恢復)。振動(dòng)激勵系統的頻率響應會(huì )在超低頻率時(shí)滾降，故通過(guò)“敲擊”試驗裝置來(lái)測試兩個(gè)器件的響應，并且捕捉響應結果。記錄的時(shí)域測量結果隨后被轉換到頻域。結果如圖3所示。其中，MEMS加速度計能夠記錄低至DC的響應。

結論

　　相比于PZT傳感器，用模擬輸出直接驅動(dòng)DAQ的MEMS傳感器實(shí)現了很好的結果。這表明，MEMS加速度計是輸出通道重新建構的新型狀態(tài)監控產(chǎn)品的合適候選器件，尤其是它支持實(shí)現基于半導體器件(采用+5 V單電源供電)的全新概念，例如無(wú)線(xiàn)智能傳感器。

　　表面上，第一代加速度計具有高頻響應性能(22 KHz)和±70g、±250g、±500g的寬滿(mǎn)量程范圍(FSR)，似乎對此類(lèi)應用有吸引力。遺憾的是，其噪聲水平高達4 mg/√Hz，這是大多數狀態(tài)監控應用不能接受的。比較測試中使用的是第二代器件，其噪聲比第一代器件降低了兩個(gè)數量級，而功耗降至第一代的40%。表2總結了兩代MEMS加速度計的性能比較結果，并突出顯示了性能改進(jìn)。

　　電氣信號調理經(jīng)驗和高分辨率MEMS加速度計發(fā)展的結合，使MEMS加速度計的性能達到狀態(tài)監控應用的要求。低物理噪聲水平的高頻加速度計，配上高性能、低噪聲、高穩定性的信號處理設計技術(shù)，克服了以前妨礙MEMS提供與PZT狀態(tài)監控傳感器相比擬的性能的根本限制。

　　參考文獻：

　　[1]Randall,Robert B.基于振動(dòng)的狀態(tài)監控[J].Hoboken:John Wiley & Sons,2011.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。