市場上出現(xiàn)了許多高度集成且易于部署的狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，這些產(chǎn)品采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加速度計(jì)作為核心傳感器。這些經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品有助于降低部署和擁有的總體成本，并在此過程中擴(kuò)大可從狀態(tài)監(jiān)測計(jì)劃中受益的設(shè)施和設(shè)備范圍。

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，固態(tài)MEMS加速度計(jì)具有許多吸引人的屬性，但不幸的是，它們在狀態(tài)監(jiān)測中的使用僅限于可以容忍使用較低帶寬傳感器的產(chǎn)品的應(yīng)用，例如低成本、基于標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器。一般來說，噪聲性能不夠低，無法滿足在較高頻率范圍內(nèi)要求較低噪聲和超過10 kHz帶寬的診斷應(yīng)用。目前市面上市面上的低噪聲MEMS加速度計(jì)的噪聲密度水平從10 μg/√Hz到100 μg/√Hz不等，但帶寬限制在幾kHz。這并沒有阻止?fàn)顟B(tài)監(jiān)測產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員使用噪聲性能在他們的新產(chǎn)品概念中足夠好的MEMS，這是有充分理由的。作為一種基于固態(tài)電子器件和內(nèi)置半導(dǎo)體制造設(shè)施的技術(shù)，MEMS為狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員提供了幾個引人注目的寶貴優(yōu)勢。撇開性能因素不談，以下是狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域任何人都應(yīng)該對MEMS加速度計(jì)感興趣的主要原因。

圖1.慣性MEMS加速度計(jì)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。多晶硅手指懸掛在減壓腔中，以便通過相鄰的信號調(diào)理電子設(shè)備測量與加速度成比例的運(yùn)動和電容。

讓我們從尺寸和重量開始。對于機(jī)載應(yīng)用，例如健康和使用監(jiān)測系統(tǒng)（HUMS），重量非常昂貴，每磅燃料成本高達(dá)數(shù)千美元。由于通常在平臺上部署多個傳感器，如果可以減輕每個傳感器的重量，則可以減輕重量。如今，采用表面貼裝封裝的高性能三軸MEMS器件，尺寸小于6 mm×6 mm，重量不到一克。許多MEMS產(chǎn)品的這種小尺寸和高度集成特性也使設(shè)計(jì)人員能夠縮小最終封裝的尺寸，從而減輕重量。典型MEMS器件的接口為單電源，使其更易于
管理，并且更容易用于數(shù)字接口，從而有助于節(jié)省電纜的成本和重量。

固態(tài)電子設(shè)備也會影響傳感器的尺寸。更小的三軸安裝在印刷電路板 （PCB） 上并插入適合在機(jī)器上安裝和布線的密封外殼中，有助于實(shí)現(xiàn)更小的整體封裝，在平臺上提供更大的安裝和放置靈活性。此外，當(dāng)今的MEMS器件可以包括大量集成的單電壓信號調(diào)理電子器件，提供功耗極低的模擬或數(shù)字接口，以幫助實(shí)現(xiàn)電池供電的無線產(chǎn)品。例如，高分辨率、高穩(wěn)定性三軸加速度計(jì)ADXL355集成Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），有效分辨率為18位，輸出數(shù)據(jù)速率為4 kSPS，每軸功耗低于65 μA。

具有模擬和數(shù)字輸出變化的MEMS信號調(diào)理電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很常見，為傳感器設(shè)計(jì)人員提供了使傳感器適應(yīng)更多情況的選擇，從而能夠過渡到工業(yè)環(huán)境中常見的數(shù)字接口。例如，RS-485收發(fā)器芯片廣泛可用，開放市場協(xié)議（如Modbus RTU）可用于加載到相鄰微控制器中。完整的變送器解決方案可以使用小尺寸表面貼裝芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局，這些芯片可以安裝在相對較小的PCB區(qū)域內(nèi)，然后可以將其插入到可以支持需要密封或本質(zhì)安全特性的環(huán)境魯棒性認(rèn)證的封裝中。

MEMS也被證明對環(huán)境變化非常魯棒。當(dāng)今一代設(shè)備的沖擊規(guī)格規(guī)定為10，000 g，但實(shí)際上可以承受更高的水平，而不會影響靈敏度規(guī)格。靈敏度可以在自動測試設(shè)備（ATE）上調(diào)整，并設(shè)計(jì)和構(gòu)造為在一段時間內(nèi)穩(wěn)定，溫度高達(dá)0.01°C，適用于高分辨率傳感器。在?40°C至+125°C等寬溫度范圍內(nèi)，可以保證整體工作，包括失調(diào)偏移規(guī)格。 對于所有通道都在同一基板上的單片三軸傳感器，通常指定1%的交叉軸靈敏度。最后，作為設(shè)計(jì)用于測量重力矢量的器件，MEMS加速度計(jì)具有直流響應(yīng)，可將輸出噪聲密度保持在接近直流，僅受電子信號調(diào)理的1/f轉(zhuǎn)折限制，并且通過精心設(shè)計(jì)，可以最小化到0.01 Hz。

也許基于MEMS的傳感器的最大優(yōu)勢之一是能夠擴(kuò)大制造規(guī)模。自1990年以來，MEMS供應(yīng)商一直在為手機(jī)、平板電腦和汽車應(yīng)用出貨。這種存在于MEMS傳感器和信號調(diào)理電路芯片的半導(dǎo)體制造設(shè)施中的制造能力也可用于工業(yè)和航空應(yīng)用，有助于降低總體成本。此外，在過去的25年中，超過<>億個傳感器被運(yùn)往汽車應(yīng)用，MEMS慣性傳感器的可靠性和質(zhì)量已被證明非常高。MEMS傳感器使復(fù)雜的碰撞安全系統(tǒng)成為可能，該系統(tǒng)可以從任何方向檢測碰撞，并適當(dāng)?shù)丶せ畎踩珟埦o器和安全氣囊以保護(hù)乘員。陀螺儀和高穩(wěn)定性加速度計(jì)也是車輛安全控制的關(guān)鍵傳感器。當(dāng)今的汽車系統(tǒng)廣泛使用MEMS慣性傳感器，以低成本和出色的可靠性實(shí)現(xiàn)更安全、更好的汽車操控。

目前，人們對許多應(yīng)用的MEMS技術(shù)產(chǎn)生了極大的興趣和投資。除了MEMS的許多吸引人的質(zhì)量外，MEMS慣性傳感器還有助于緩解困擾其他材料和架構(gòu)的許多質(zhì)量問題。MEMS慣性傳感器在要求苛刻的消費(fèi)、航空和汽車應(yīng)用中已使用超過25年，并經(jīng)受了高沖擊和苛刻的環(huán)境。MEMS是否應(yīng)該進(jìn)一步滲透到要求更高性能的應(yīng)用，如狀態(tài)監(jiān)測？完全可以預(yù)期MEMS的性能將繼續(xù)大幅提高，為狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供更多選擇，并實(shí)現(xiàn)新一代智能傳感器、無線傳感器和低成本垂直集成系統(tǒng)。請繼續(xù)關(guān)注在不久的將來有關(guān)此主題的更多信息。

審核編輯：郭婷