您需要了解的有关状态监测的MEMS加速度计的信息

市场上出现了许多高度集成且易于部署的状态监测产品，这些产品采用微机电系统（MEMS）加速度计作为核心传感器。这些经济型产品有助于降低部署和拥有的总体成本，并在此过程中扩大可从状态监测计划中受益的设施和设备范围。

与传统的机械传感器相比，固态MEMS加速度计具有许多吸引人的属性，但不幸的是，它们在状态监测中的使用仅限于可以容忍使用较低带宽传感器的产品的应用，例如低成本、基于标准的智能传感器。一般来说，噪声性能不够低，无法满足在较高频率范围内要求较低噪声和超过10 kHz带宽的诊断应用。目前市面上市面上的低噪声MEMS加速度计的噪声密度水平从10 μg/√Hz到100 μg/√Hz不等，但带宽限制在几kHz。这并没有阻止状态监测产品设计人员使用噪声性能在他们的新产品概念中足够好的MEMS，这是有充分理由的。作为一种基于固态电子器件和内置半导体制造设施的技术，MEMS为状态监测产品的设计人员提供了几个引人注目的宝贵优势。撇开性能因素不谈，以下是状态监测领域任何人都应该对MEMS加速度计感兴趣的主要原因。

图1.惯性MEMS加速度计的扫描电子显微镜（SEM）图像。多晶硅手指悬挂在减压腔中，以便通过相邻的信号调理电子设备测量与加速度成比例的运动和电容。

让我们从尺寸和重量开始。对于机载应用，例如健康和使用监测系统（HUMS），重量非常昂贵，每磅燃料成本高达数千美元。由于通常在平台上部署多个传感器，如果可以减轻每个传感器的重量，则可以减轻重量。如今，采用表面贴装封装的高性能三轴MEMS器件，尺寸小于6 mm×6 mm，重量不到一克。许多MEMS产品的这种小尺寸和高度集成特性也使设计人员能够缩小最终封装的尺寸，从而减轻重量。典型MEMS器件的接口为单电源，使其更易于
管理，并且更容易用于数字接口，从而有助于节省电缆的成本和重量。

固态电子设备也会影响传感器的尺寸。更小的三轴安装在印刷电路板 （PCB） 上并插入适合在机器上安装和布线的密封外壳中，有助于实现更小的整体封装，在平台上提供更大的安装和放置灵活性。此外，当今的MEMS器件可以包括大量集成的单电压信号调理电子器件，提供功耗极低的模拟或数字接口，以帮助实现电池供电的无线产品。例如，高分辨率、高稳定性三轴加速度计ADXL355集成Σ-Δ模数转换器（ADC），有效分辨率为18位，输出数据速率为4 kSPS，每轴功耗低于65 μA。

具有模拟和数字输出变化的MEMS信号调理电路的拓扑结构很常见，为传感器设计人员提供了使传感器适应更多情况的选择，从而能够过渡到工业环境中常见的数字接口。例如，RS-485收发器芯片广泛可用，开放市场协议（如Modbus RTU）可用于加载到相邻微控制器中。完整的变送器解决方案可以使用小尺寸表面贴装芯片进行设计和布局，这些芯片可以安装在相对较小的PCB区域内，然后可以将其插入到可以支持需要密封或本质安全特性的环境鲁棒性认证的封装中。

MEMS也被证明对环境变化非常鲁棒。当今一代设备的冲击规格规定为10，000 g，但实际上可以承受更高的水平，而不会影响灵敏度规格。灵敏度可以在自动测试设备（ATE）上调整，并设计和构造为在一段时间内稳定，温度高达0.01°C，适用于高分辨率传感器。在−40°C至+125°C等宽温度范围内，可以保证整体工作，包括失调偏移规格。 对于所有通道都在同一基板上的单片三轴传感器，通常指定1%的交叉轴灵敏度。最后，作为设计用于测量重力矢量的器件，MEMS加速度计具有直流响应，可将输出噪声密度保持在接近直流，仅受电子信号调理的1/f转折限制，并且通过精心设计，可以最小化到0.01 Hz。

也许基于MEMS的传感器的最大优势之一是能够扩大制造规模。自1990年以来，MEMS供应商一直在为手机、平板电脑和汽车应用出货。这种存在于MEMS传感器和信号调理电路芯片的半导体制造设施中的制造能力也可用于工业和航空应用，有助于降低总体成本。此外，在过去的25年中，超过<>亿个传感器被运往汽车应用，MEMS惯性传感器的可靠性和质量已被证明非常高。MEMS传感器使复杂的碰撞安全系统成为可能，该系统可以从任何方向检测碰撞，并适当地激活安全带张紧器和安全气囊以保护乘员。陀螺仪和高稳定性加速度计也是车辆安全控制的关键传感器。当今的汽车系统广泛使用MEMS惯性传感器，以低成本和出色的可靠性实现更安全、更好的汽车操控。

目前，人们对许多应用的MEMS技术产生了极大的兴趣和投资。除了MEMS的许多吸引人的质量外，MEMS惯性传感器还有助于缓解困扰其他材料和架构的许多质量问题。MEMS惯性传感器在要求苛刻的消费、航空和汽车应用中已使用超过25年，并经受了高冲击和苛刻的环境。MEMS是否应该进一步渗透到要求更高性能的应用，如状态监测？完全可以预期MEMS的性能将继续大幅提高，为状态监测设备设计人员提供更多选择，并实现新一代智能传感器、无线传感器和低成本垂直集成系统。请继续关注在不久的将来有关此主题的更多信息。

审核编辑：郭婷