平板電腦、智能手機、視頻游戲機、攝像機和相機徹底改變了傳感器世界。這包括MEMS加速度計和陀螺儀。它們測量運動的能力提高了性能，并增加了許多使用它們的設備的功能。

雖然消費類應用刺激了對這些傳感器的需求，但它們在其他市場的使用也在增加。隨著數字化或物聯網的出現，傳感器正在成為工業基礎設施應用的核心。在這些情況下，MEMS被依賴用于狀態監測和結構健康監測。這些新應用帶來了非常具體的性能和可靠性標準。

智能基礎設施

使用數字化創建智能基礎設施提供了許多好處。其中包括提高容量、效率和可靠性。智能基礎設施可為客戶和用戶提供更多、更有針對性的服務，而無需增加投資或資源。此外，互聯基礎設施可以收集數據，以幫助更有效地設計和實施未來的基礎設施。為基礎設施帶來智能還可以有效解決維護的主要挑戰。MEMS傳感器在結構健康監測中起著決定性的作用。它們可用于測量傾角變化、振動分析以及線性或圓周運動，即使在極端條件下也是如此。這些傳感器可以進行預測性維護，更好地利用可用資源并有助于避免服務故障和中斷。ADI公司擁有深厚的專業知識，并在支持智能基礎設施應用的MEMS技術方面投入了大量資金。

ADXL35x MEMS加速度計系列

ADI公司推出的低噪聲、低功耗、3軸加速度計系列：帶模擬輸出的ADXL354;ADXL355具有數字輸出和±2 g、±4 g和±8 g可編程范圍;帶模擬輸出的ADXL356;ADXL357具有數字輸出和±10 g、±20 g和±40 g可編程范圍。

這些器件可用于 IMU（慣性測量單元）、平臺穩定系統、測斜儀和預測性維護系統。這些中高端傳感器專為一些最苛刻的傳感器應用而設計，例如地震測繪以及工業和基礎設施預測性維護系統。

結構健康監測的高級功能

對于狀態監測和結構健康監測，測量范圍是一個重要的參數。例如，在加速度峰值約為幾g s的應用中，2 g量程傳感器就足夠了。然而，這些設備通常在受到強烈振動和沖擊的環境中運行，從而導致傳感器飽和。一旦飽和，就無法再測量正確的加速度。因此，在設備可以恢復標稱操作之前，數據會丟失。在這種情況下，可以使用 40 g 傳感器。它不太可能達到飽和，即使在存在高機械噪聲的情況下，也可以通過適當的信號處理提取所需的信息。

由于許多基礎設施應用中的傳感器可能很遠或難以訪問，因此無線傳感器網絡是最佳解決方案。這使得低功耗成為另一個關鍵考慮因素。ADXL35x器件在待機模式下僅消耗21 μA，模擬輸出部分功耗為150 μA，在測量模式下數字輸出功耗為200 μA。ADXL355/ADXL357中的FIFO存儲器在主機微控制器處于休眠模式時存儲數據。當內存已滿時，中斷會喚醒微控制器以傳輸數據并執行請求的操作。微控制器完成傳輸后，將返回低功耗休眠模式，從而確保極低的功耗水平。

通常，低功耗是以犧牲其他因素為代價的，例如速度和噪聲。ADXL35x加速度計的頻譜噪聲密度對于低g器件為20 μg/√Hz，對于高g器件，其頻譜噪聲密度為80 μg/√Hz。此外，內部架構有助于優化加速度計的靈敏度。圖2顯示了模擬和數字器件的框圖。來自傳感器的信號進入濾波模塊，然后由后續階段處理。在濾波器之后，在輸出之前，有一個緩沖器和一個32 kΩ電阻，可以執行進一步的模擬濾波。數字器件具有一個額外的可編程數字濾波器。低通濾波器的截止頻率根據輸出數據速率進行調整，也可以插入高通濾波器來實現帶通功能。對于狀態監測，振動的頻譜分析是主要工具，因此高帶寬對于捕獲更多次諧波非常重要。傳感器的機械共振頻率在5.5 kHz左右，但頻率響應主要由截止頻率為1.5 kHz的抗混疊濾波器決定。最后，為了提供所需的分辨率，模數轉換使用20位Σ-Δ轉換器執行。由于這些功能，這些加速度計也可用于記錄地震事件。

圖2.ADXL356和ADXL357原理框圖。

如果要監測建筑物、橋梁、軌道、高壓塔或基礎設施的任何其他元素的結構健康狀況，穩定性非常重要。我們在這里要測量的是結構的漂移，不應將其與測量設備的漂移混淆。

傳感器的長期穩定性與機械應力有關。在焊接階段遭受的任何機械應力都可能導致電氣偏移。應力會隨著時間的推移而變化，導致偏移漂移。這可能會被誤解為傾斜度或其他一些結構參數的變化。為避免此問題，需要特別注意芯片粘接操作。

包裝選擇也很重要。這些加速度計采用堅固的 14 引腳 LCC 陶瓷封裝，比廣泛用于消費應用的塑料封裝更好地防止機械應力。陶瓷封裝還保證了高度的密封性，可防止水分和顆粒進入，從而有助于長期穩定性。

在正常運行期間，設備可能會受到不同的環境條件的影響，尤其是可能影響其性能的溫度和濕度。對于濕度，傳感器采用密封封裝，如 14 引腳 LCC，即使在最惡劣的條件下也能保證穩定運行。工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。 這意味著這些設備經過優化，即使在極端溫度下也能正常工作。此外，還特別注意最小化偏移的漂移，這是最關鍵的參數。在所有三個軸上，保證低g加速度計ADXL354/ADXL355的最大漂移為±0.15 m g/°C，高g加速度計ADXL356/ADXL357的最大漂移為±0.75 m g/°C。此外，加速度計還配備了一個集成的溫度傳感器，可用于漂移的熱補償。

結論

今天，我們看到對MEMS傳感器的需求擴展到消費類應用之外。工業和基礎設施市場正在創造新的機會。正是在這些領域，可靠性和性能是關鍵因素。ADI公司的研究重點是開發能夠提供高性能并在極端環境條件下可靠運行的解決方案。ADXL354、ADXL355、ADXL356和ADXL357是對全新高g加速度計系列的補充，ADXL1001為±100 g，ADXL1002為±50 g，ADXL1004為±500 g超低噪聲和高達24 kHz的超高帶寬。