適用于智能基礎設施的MEMS傳感器

利用數字化創建智能基礎設施可帶來諸多好處，其中包括更高的容量、效率和可靠性。智能基礎設施可為客戶和用戶提供更多且更有針對性的服務，而無需增加投資或資源。此外，互連基礎設施可以收集數據，以幫助更有效地設計和實現未來基礎設施。將智能引入基礎設施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動——即使在極端條件下也能測量。通過此類傳感器可以執行預測性維護，更好地利用可用資源并幫助避免服務故障和中斷。ADI公司擁有深厚的專業知識，并已投入巨資開發可支持智能基礎設施應用的MEMS技術。

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

圖1. ADI公司的ADXL356和ADXL357 MEMS加速度計

這些器件可用于IMU（慣性測量單元）、平臺穩定系統、傾角計和預測性維護系統。這些中高檔傳感器專為一些要求極為苛刻的傳感器應用而設計，例如地震分析、工業和基礎設施預測性維護系統。

支持結構健康監測的高級特性對于狀態監控和結構健康監測，測量范圍是一個重要參數。例如，在加速度峰值為幾個g的應用中，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烈振動和沖擊的環境中，這會導致傳感器飽和。一旦飽和，就不可能測量出正確的加速度。結果是數據丟失，直到器件恢復正常工作為止。這種情況下，可以使用40 g傳感器。達到飽和的可能性較小，即使存在很高的機械噪聲，也可以通過適當的信號處理提取所需的信息。

許多基礎設施應用中的傳感器可能在遠程或很難接近，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器件在待機模式下的功耗僅為21μA；在測量模式下，模擬輸出器件的功耗為150μA，數字輸出器件的功耗為200μA。當主機微控制器處于休眠模式時，ADXL355/ ADXL357中的FIFO存儲器存儲數據。當存儲器滿時，中斷將喚醒微控制器傳輸數據并執行要求的操作。微控制器一旦完成傳輸，便返回低功耗休眠模式，確保系統功耗非常低。

通常，低功耗是以犧牲其他性能為代價的，例如速度和噪聲。在ADXL35x加速度計中，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，內部架構有助于優化加速度計的靈敏度。圖2顯示了這些模擬和數字器件的框圖。

圖2. ADXL356和ADXL357功能框圖

來自傳感器的信號進入濾波模塊，然后由后續電路予以處理。濾波之后輸出之前，還有一個緩沖器和一個32 kΩ電阻，在此可進行進一步的模擬濾波。數字器件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，還可以插入高通濾波器以實現帶通功能。對于狀態監控，振動頻譜分析是主要工具，因此高帶寬對捕獲更多數量的諧波非常重要。傳感器的機械諧振頻率約為5.5 kHz，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，使用20位∑-?轉換器來執行模數轉換。由于有這些特性，這些加速度計也可以用于記錄地震事件。

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件的結構健康狀況，穩定性非常重要。這里要測量的是結構的漂移，不應將其與測量器件的漂移混淆。

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失調。應力可能會隨時間而變化，造成失調漂移。這可能被誤解為傾斜度或其他結構參數的變化。為了避免這個問題，需要特別注意芯片貼裝操作。

封裝選擇也很重要。這些加速度計采用魯棒的14引腳LCC陶瓷封裝，對機械應力的防護能力遠遠優于消費電子應用廣泛使用的塑料封裝。陶瓷封裝還能保證高度密封性，防止水分和顆粒進入，從而有助于提高長期穩定性。

在正常工作期間，器件可能會受到各種環境條件的影響，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定運行。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。此外應特別注意使失調漂移最小化，這是最關鍵的參數。在所有三個軸上，低g加速度計ADXL354/ADXL355的最大漂移為±0.15 mg/°C，高g加速度計 ADXL356/ADXL357的最大漂移為±0.75 mg/°C。另外，這些加速度計配備有集成溫度傳感器，可用于漂移的熱補償。

表1. 新系列MEMS加速度計的主要特性

如今對MEMS傳感器的需求已擴大到消電子應用之外。工業和基礎設施市場正在創造新的機遇。在這些領域，可靠性和性能是關鍵因素。ADI 公司的研究一直專注于開發可在極端環境條件下實現高性能和可靠運行的解決方案。ADXL354、ADXL355、 ADXL356和ADXL357是新系列高g加速度計——ADXL1001 (±100g)、 ADXL1002(±50g)、ADXL1004 (±500g)超低噪聲和24kHz超高帶寬產品的補充。