MEMS感測器打造智慧基礎設施

作者: ADI 現場應用工程師 Cosimo Carriero

平板、智慧型手機、遊樂器、攝錄影機、以及相機等產品,徹底顛覆了感測器的世界。此外,參與這波革命的還包括MEMS微機電系統加速計與陀螺儀等元件,它們所具備能針對移動進行測量的能力,讓使用這些元件的裝置能藉此提升效能與增進功能。

除了各種消費應用刺激市場對這些感測器的需求之外,它們在其他市場的應用也與日俱增。隨著數位化或物聯網的發展,感測器逐漸成為工業基礎設施應用的核心要角。在這些情境中,各界依賴MEMS元件執行狀態監視以及結構健康監視等任務,而這些新應用也促成業界針對效能與可靠度制定相關標準。

智慧基礎設施

運用數位化打造智慧基礎設施能帶來許多利益。其中包括增加容量、效率、以及可靠度。智慧基礎設施能為顧客與使用者提供更多針對性更高的服務,而且不必增加投資或資源。此外,連網化的基礎設施能蒐集資料,協助未來基礎設施在設計與建置方面都更有效率。此外,將智能注入基礎設施還能有效解決維護這項重大難題。MEMS感測器在結構健康監視方面扮演決定性角色,它們可用來量測傾角變化、震動分析、以及線性或圓周運動- 包括在各種極端條件。這些感測器讓用戶能執行預測性維護,善加利用各種可用資源,協助避免服務失效與中斷。Analog Devices在MEMS技術擁有雄厚技術實力且投資甚多,具有能力來支援各種智慧基礎設施應用。

ADXL35x MEMS 加速計系列

Analog Devices 最近推出全新系列的低雜訊/低功耗三軸加速計:包括類比輸出的; ADXL354ADXL355 輸出數位訊號且可設定量測範圍±2 g、±4 g、以及±8 g; ADXL356 輸出類比訊號; ADXL357 輸出數位訊號,可設定量測範圍為±10 g、±20 g、以及±40 g

這些元件可用在各種IMU(慣性量測單元)、平台穩定系統、傾角儀、以及預測維護系統。這些中階至高階感測器針對各種要求最嚴苛的感測器應用進行設計,包括地震測繪、工業、基礎設施預測性維護系統等。

圖1. Analog Devices推出的新款ADXL356 與ADXL357 MEMS 加速計

監視結構健康狀況的先進功能

對於條件監視與結構健康監視而言,量測範圍是一項重要參數。舉例來說,對於加速峰值僅有少數幾個g的應用而言,一個2 g範圍的感測器就已經夠用。這些元件運作的環境中經常會有強烈的震動與撞擊,導致感測器出現破錶的量程飽和狀態,一旦飽和後,便無法量測正確的加速度。因此,在元件回復正常運作之前,所有資料都會錯失。在這種情況,就必須採用40 g感測器,如此一來即使遇到極高的機械雜訊,也比較不可能達到飽和狀態,若再經過適當的訊號處理,就能擷取出所要的資訊。

由於許多基礎設施應用中的感測器設置在遙遠或極難抵達的地方,因此無線感測器網路是最佳的解決方案,進而導致低功耗成為另一項關鍵考量因素。ADXL35x元件在待機模式僅消耗21 μA的電流,類比輸出元件耗電150 μA,在量測模式中輸出數位訊號則消耗200 μA。在主控端微控制器處於休眠模式時,ADXL355/ADXL357中的FIFO記憶體能儲存資料。在記憶體寫滿資料時,會發出岔斷訊號喚醒微控制器傳送資料以及執行各項要求動作。當微控制器完成傳輸後,就會切回低功耗休眠模式,以維持極低的功耗。

一般而言,低功耗的代價是犧牲速度與雜訊方面的表現。ADXL35x加速計在低g力量測元件的雜訊密度為20 μg/√Hz,高g力元件則為80 μg/√Hz。此外,內部架構也有助於優化加速計的靈敏度。圖2顯示類比與數位元件的模塊圖表。感測器送出的訊號會經過一個濾波模塊,然後進行後續階段的處理。在濾波器之後與輸出介面之前,設置一個緩衝區以及32 kΩ電阻,在此進一步過濾類比訊號。數位元件則是配置額外的可程式化數位濾波器。低通濾波器的截止頻率是拓展到輸出資料率進行調整,也可選擇插入一個高通濾波器執行帶通(band-pass)功能。在條件監視方面,主要工具為震動的頻譜分析,因此對於擷取更多數量諧振而言,高頻寬至關重要。感測器的機械共振頻率大約在5.5 kHz,但頻率響應主要由抗混疊濾波器決定,而其截止頻率為1.5 kHz。最後,為了提供要求的解析度,會利用20-bit 的Σ-Δ轉換器執行類比至數位轉換。而拜這些功能之賜,這些加速計還能用來記錄各種地震事件。

圖2. ADXL356 與ADXL357 模塊圖表

如果需要監視建築物、橋樑、軌道、高壓電塔、或任何基礎設施的其他元素,穩定度是非常重要的一環。這裡的例子中,所要量測的是結構的位置偏移(drift),請注意不要和量測元件的漂移(drift)搞混。

感測器的長期穩定度和機械應力密切相關。在焊接階段承受的任何機械應力都可能造成電氣偏置。長時間下來,這些應力會逐漸變化,進而導致偏置(offset)的偏移,讓元件誤判為傾角或其他結構參數出現變化。為避免這項問題,必須特別注意晶粒黏著方面的作業。

另外封裝的選擇也很重要。這些加速計採用強固型14接腳LCC陶瓷封裝,和消費性應用廣泛採用的塑膠封裝相較之下更能耐受機械應力。另外陶瓷封裝還確保高度的緊密度(tightness),能防溼氣與防塵,有助長期使用的穩定度。

在正常運作下,裝置可能面臨各種不同的環境條件,其中溫度與溼度對效能的影響最大。在溼度方面,感測器採用密封式封裝,像是14接腳的LCC封裝,即使在各種最惡劣條件下也能保證穩定運作。作業溫度範圍為攝氏零下40度到125度,意謂元件經過最佳化設計,能在各種極端溫度下運行。此外,經過精心的設計使得偏置(offset)的漂移減至最小,這項數據也是元件最關鍵的參數。在所有三個軸向上,像ADXL354/ADXL355這類低g力加速計的最大漂移為±0.15 mg/°C,而像ADXL356/ADXL357這些高g力加速計的最大漂移則為±0.75 mg/°C。此外,加速計中配置一個整合式溫度感測器,能用來對漂移進行溫度補償。

表 1. 新系列MEMS加速計的主要功能特色
ADXL354 ADXL355 ADXL356 ADXL357 ADXL1001 ADXL1002 ADXL1004
滿刻度範圍
FSR (g)
±2 to ±8 ±2 to ±8 ±10 to ±40 ±10 to ±40 ±100 ±50 ±500
# 軸數 3 3 3 3 1 1 1
輸出 類比 數位 類比 數位 類比 類比 類比
頻寬(kHz) 1.5 1 1.5 1 11 11 24
諧振頻率 (kHz) 2.4 2.4 5.5 5.5 21 21 45
雜訊密度 (μg/√Hz) 20 20 80 80 30 25 125
自我測試 支援 支援 支援 支援 支援 支援 支援
電源電流量測模式 150 μA 200 μA 150 μA 200 μA 1 mA 1 mA 1 mA
溫度範圍 (攝氏°C) 零下40度至125度 零下40度至125度 –40 to +125 零下40度至125度 零下40度至125度 零下40度至125度 零下40度至125度

總結

現今,我們觀察到市場對於MEMS感測器的需求逐漸擴散到消費性應用以外的領域。包括工業與基礎設施市場亦浮現出許多新的商機,而可靠度與效能在這些領域都是最關鍵的要素。Analog Devices的研發部門一直致力開發理想解決方案,協助能在各種極端環境條件下發揮高效能與可靠地運行。包括ADXL354、ADXL355、ADXL356、以及ADXL357等元件補強新系列高G力加速計的產品線,此系列的成員包括量測範圍正負100g的ADXL1001; 量測範圍正負50g的ADXL1002; 以及量測範圍正負500g的ADXL1004,上述元件都具備超低雜訊以及最高達24 kHz的超高頻寬。


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Cosimo Carriero

Cosimo Carriero joined Analog Devices in 2006 as a field applications engineer providing technical support to strategic and key accounts. He holds a Master of Science in physics from Università degli Studi of Milan, Italy. His past experiences include INFN, the Italian Institute for Nuclear Physics, defining and developing instrumentation for nuclear physics experiments, collaboration with small companies, developing sensors and systems for factory automation, Thales Alenia Space, and as a senior design engineer for satellite power management systems.