適用于智能基礎(chǔ)設(shè)施的MEMS傳感器

平板電腦、智能電話、視頻游戲機(jī)、攝錄機(jī)和相機(jī)徹底改變了傳感器世界，其中包括MEMS加速度計(jì)和陀螺儀。它們能夠測量運(yùn)動，導(dǎo)致很多使用這些傳感器的設(shè)備得以改善性能并增加功能。

雖然消費(fèi)電子應(yīng)用激發(fā)了對這些傳感器的需求，但其在其他市場的應(yīng)用也在增加。隨著數(shù)字化或物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，傳感器正成為工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的核心。在這種情況下，應(yīng)用依賴MEMS進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。與這些新應(yīng)用相伴而來的是關(guān)于性能和可靠性的非常具體的標(biāo)準(zhǔn)。

智能基礎(chǔ)設(shè)施

利用數(shù)字化創(chuàng)建智能基礎(chǔ)設(shè)施可帶來諸多好處，其中包括更高的容量、效率和可靠性。智能基礎(chǔ)設(shè)施可為客戶和用戶提供更多且更有針對性的服務(wù)，而無需增加投資或資源。此外，互連基礎(chǔ)設(shè)施可以收集數(shù)據(jù)，以幫助更有效地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)未來基礎(chǔ)設(shè)施。將智能引入基礎(chǔ)設(shè)施還可以有效解決維護(hù)的主要挑戰(zhàn)。MEMS傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中起著決定性作用。它們可用于測量傾斜度變化、振動分析以及線性或圓周運(yùn)動——即使在極端條件下也能測量。通過此類傳感器可以執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)，更好地利用可用資源并幫助避免服務(wù)故障和中斷。ADI公司擁有深厚的專業(yè)知識，并已投入巨資開發(fā)可支持智能基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的MEMS技術(shù)。

ADXL35x MEMS加速度計(jì)系列

ADI公司最近推出了一系列新型低噪聲、低功耗、3軸加速度計(jì)：提供模擬輸出的ADXL354;提供數(shù)字輸出和±2 g、±4 g、±8 g可編程范圍的ADXL355;提供模擬輸出的ADXL356;提供數(shù)字輸出和±10 g、±20 g、±40 g可編程范圍的ADXL357。

圖1.ADI公司新推出的ADXL356和ADXL357 MEMS加速度計(jì)

這些器件可用于IMU(慣性測量單元)、平臺穩(wěn)定系統(tǒng)、傾角計(jì)和預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。這些中高檔傳感器專為一些要求極為苛刻的傳感器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，例如地震分析、工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。

支持結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的高級特性

對于狀態(tài)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，測量范圍是一個(gè)重要參數(shù)。例如，在加速度峰值為幾個(gè)g的應(yīng)用中，2 g范圍的傳感器就足夠了。但是，這些器件常常工作在受到強(qiáng)烈振動和沖擊的環(huán)境中，這會導(dǎo)致傳感器飽和。一旦飽和，就不可能測量出正確的加速度。結(jié)果是數(shù)據(jù)丟失，直到器件恢復(fù)正常工作為止。這種情況下，可以使用40 g傳感器。達(dá)到飽和的可能性較小，即使存在很高的機(jī)械噪聲，也可以通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚硖崛∷璧男畔ⅰ?/p>

許多基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的傳感器可能在遠(yuǎn)程或很難接近，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最佳解決方案。這使得低功耗成為另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。ADXL35x器件在待機(jī)模式下的功耗僅為21μA;在測量模式下，模擬輸出器件的功耗為150μA，數(shù)字輸出器件的功耗為200μA。當(dāng)主機(jī)微控制器處于休眠模式時(shí)，ADXL355/ADXL357中的FIFO存儲器存儲數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲器滿時(shí)，中斷將喚醒微控制器傳輸數(shù)據(jù)并執(zhí)行要求的操作。微控制器一旦完成傳輸，便返回低功耗休眠模式，確保系統(tǒng)功耗非常低。

通常，低功耗是以犧牲其他性能為代價(jià)的，例如速度和噪聲。在ADXL35x加速度計(jì)中，低g器件的噪聲譜密度為20μg/√Hz，高g器件的噪聲譜密度為80μg/√Hz。另外，內(nèi)部架構(gòu)有助于優(yōu)化加速度計(jì)的靈敏度。圖2顯示了這些模擬和數(shù)字器件的框圖。來自傳感器的信號進(jìn)入濾波模塊，然后由后續(xù)電路予以處理。濾波之后輸出之前，還有一個(gè)緩沖器和一個(gè)32 kΩ電阻，在此可進(jìn)行進(jìn)一步的模擬濾波。數(shù)字器件有一個(gè)額外的可編程數(shù)字濾波器。低通濾波器的截止頻率根據(jù)輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)整，還可以插入高通濾波器以實(shí)現(xiàn)帶通功能。對于狀態(tài)監(jiān)控，振動頻譜分析是主要工具，因此高帶寬對捕獲更多數(shù)量的諧波非常重要。傳感器的機(jī)械諧振頻率約為5.5 kHz，但頻率響應(yīng)主要由截止頻率為1.5 kHz的抗混疊濾波器決定。最后，為了提供所需的分辨率，使用20位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器來執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于有這些特性，這些加速度計(jì)也可以用于記錄地震事件。

如果要監(jiān)測建筑物、橋梁、軌道、高壓塔或基礎(chǔ)設(shè)施的任何其他元件的結(jié)構(gòu)健康狀況，穩(wěn)定性非常重要。這里要測量的是結(jié)構(gòu)的漂移，不應(yīng)將其與測量器件的漂移混淆。

傳感器的長期穩(wěn)定性與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。在焊接階段遭受的任何機(jī)械應(yīng)力都可能導(dǎo)致電氣失調(diào)。應(yīng)力可能會隨時(shí)間而變化，造成失調(diào)漂移。這可能被誤解為傾斜度或其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。為了避免這個(gè)問題，需要特別注意芯片貼裝操作。

封裝選擇也很重要。這些加速度計(jì)采用魯棒的14引腳LCC陶瓷封裝，對機(jī)械應(yīng)力的防護(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于消費(fèi)電子應(yīng)用廣泛使用的塑料封裝。陶瓷封裝還能保證高度密封性，防止水分和顆粒進(jìn)入，從而有助于提高長期穩(wěn)定性。

在正常工作期間，器件可能會受到各種環(huán)境條件的影響，特別是溫度和濕度可能影響其性能。對于濕度，傳感器的密封封裝(14引腳LCC就是如此)可確保器件即使在最惡劣的條件下也能穩(wěn)定運(yùn)行。工作溫度范圍為-40°C至+125°C，這意味著哪怕在極端溫度下，器件也能很好地工作。此外應(yīng)特別注意使失調(diào)漂移最小化，這是最關(guān)鍵的參數(shù)。在所有三個(gè)軸上，低g加速度計(jì)ADXL354/ADXL355的最大漂移為±0.15 mg/°C，高g加速度計(jì)ADXL356/ADXL357的最大漂移為±0.75 mg/°C。另外，這些加速度計(jì)配備有集成溫度傳感器，可用于漂移的熱補(bǔ)償。

圖2.ADXL356和ADXL357功能框圖

表1.新系列MEMS加速度計(jì)的主要特性

結(jié)論

如今對MEMS傳感器的需求已擴(kuò)大到消電子應(yīng)用之外。工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施市場正在創(chuàng)造新的機(jī)遇。在這些領(lǐng)域，可靠性和性能是關(guān)鍵因素。ADI公司的研究一直專注于開發(fā)可在極端環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)高性能和可靠運(yùn)行的解決方案。ADXL354、ADXL355、ADXL356和ADXL357是新系列高g加速度計(jì)——ADXL1001 (±100 g)、ADXL1002 (±50 g)、ADXL1004 (±500 g)超低噪聲和24 kHz超高帶寬產(chǎn)品的補(bǔ)充。