상태 모니터링을 위한 MEMS 가속도계에 대해 알아야 할 사항

핵심 센서로 MEMS(Microelectromechanical System) 가속도계를 사용하는 고도로 통합되고 배포하기 쉬운 상태 모니터링 제품이 많이 출시되고 있습니다. 이러한 경제적인 제품은 전체 배포 및 소유 비용을 줄이는 데 도움이 되며 그 과정에서 상태 모니터링 프로그램의 혜택을 받을 수 있는 시설 및 장비의 범위를 확장합니다. 솔리드 스테이트 MEMS 가속도계는 레거시 기계식 센서와 비교할 때 많은 매력적인 속성을 가지고 있지만 불행히도 상태 모니터링에 대한 사용은 저가의 표준 기반 스마트 센서와 같은 제품에 더 낮은 대역폭 센서의 사용을 허용할 수 있는 애플리케이션으로 제한되었습니다. 일반적으로 잡음 성능은 10kHz를 초과하는 더 높은 주파수 범위와 대역폭에서 더 낮은 잡음을 필요로 하는 진단 애플리케이션을 제공할 만큼 충분히 낮지 않습니다. 저잡음 MEMS 가속도계는 오늘날 10µg/√Hz ~ 100µg/√Hz의 잡음 밀도 수준에서 사용할 수 있지만 대역폭은 몇 kHz로 제한됩니다. 이것은 상태 모니터링 제품 설계자가 새로운 제품 개념에서 충분히 좋은 노이즈 성능을 가진 MEMS를 사용하는 것을 막지 못했습니다. 반도체 전자 장치 및 내장형 반도체 제조 시설을 기반으로 하는 기술인 MEMS는 상태 모니터링 제품 설계자에게 몇 가지 강력하고 가치 있는 이점을 제공합니다. 성능 요인을 제쳐두고 MEMS 가속도계가 상태 모니터링 분야의 모든 사람에게 관심을 가져야 하는 주요 이유는 다음과 같습니다.       그림 1. 관성 MEMS 가속도계의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. 폴리실리콘 핑거는 이동이 가능하도록 감압된 공동에 매달려 있으며 가속에 비례하는 전기 정전용량은 인접한 신호 조절 전자 장치에 의해 측정됩니다. 크기와 무게부터 시작하겠습니다. 건강 및 사용 모니터링 시스템(HUMS)과 같은 항공 애플리케이션의 경우 중량이 매우 비싸며 연료 비용은 파운드당 수천 달러입니다. 일반적으로 플랫폼에 여러 개의 센서를 배치할 때 각 센서의 무게를 줄일 수 있다면 무게를 줄일 수 있습니다. 오늘날 풋프린트가 6mm × 6mm 미만인 표면 실장 패키지의 고성능 XNUMX축 MEMS 장치의 무게는 XNUMXg 미만입니다. 많은 MEMS 제품의 이러한 작은 크기와 고집적 특성 덕분에 설계자는 최종 패키지의 크기를 줄여 무게를 줄일 수 있습니다. 일반적인 MEMS 장치의 인터페이스는 단일 전원으로 되어 있어 관리가 더 쉬우며 케이블의 비용과 무게를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 디지털 인터페이스에 더 쉽게 적합합니다. 솔리드 스테이트 전자 장치도 변환기의 크기에 영향을 줄 수 있습니다. 인쇄 회로 기판(PCB)에 장착되고 기계에 장착 및 케이블링하기에 적합한 밀폐형 하우징에 삽입된 더 작은 폼 팩터 XNUMX축은 플랫폼에서 더 많은 장착 및 배치 유연성을 제공하여 전체 패키지를 더 작게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 오늘날의 MEMS 장치에는 배터리로 구동되는 무선 제품을 구현하는 데 도움이 되도록 매우 낮은 전력으로 아날로그 또는 디지털 인터페이스를 제공하는 상당한 양의 통합된 단일 전압 공급 신호 조절 전자 장치가 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 고분해능, 고안정성 355축 가속도계인 ADXL18는 Σ-Δ ADC(아날로그-디지털 변환기)가 통합되어 있으며, 유효 분해능은 4비트이고 출력 데이터 속도는 65kSPS이며, 축당 XNUMXµA. 아날로그 및 디지털 출력 변형이 모두 있는 MEMS 신호 컨디셔닝 회로의 토폴로지는 일반적이며 변환기 설계자가 센서를 보다 다양한 상황에 적용할 수 있는 옵션을 열어 산업 설정에서 일반적으로 사용 가능한 디지털 인터페이스로 전환할 수 있습니다. 예를 들어 RS-485 트랜시버 칩은 널리 사용 가능하며 Modbus RTU와 같은 공개 시장 프로토콜을 사용하여 인접 마이크로컨트롤러에 로드할 수 있습니다. 완전한 트랜스미터 솔루션은 비교적 작은 PCB 영역에 들어갈 수 있는 작은 풋프린트 표면 실장 칩으로 설계 및 배치될 수 있으며, 그런 다음 밀폐 또는 본질적으로 안전한 특성을 요구하는 환경 견고성 인증을 지원할 수 있는 패키지에 삽입될 수 있습니다. MEMS는 환경 변화에도 매우 강한 것으로 입증되었습니다. 오늘날 장치의 충격 사양은 10,000g으로 명시되어 있지만 실제로는 감도 사양에 영향을 주지 않고 훨씬 더 높은 수준을 견딜 수 있습니다. 감도는 ATE(자동 테스트 장비)에서 트리밍할 수 있으며 고해상도 센서의 경우 시간과 온도가 0.01°C까지 안정적으로 설계 및 구성됩니다. 오프셋 시프트 사양을 포함한 전체 작동은 −40°C ~ +125°C와 같은 넓은 온도 범위에서 보장될 수 있습니다. 모든 채널이 동일한 기판에 있는 모놀리식 1축 센서의 경우 일반적으로 XNUMX%의 교차 축 감도가 지정됩니다. 마지막으로 중력 벡터를 측정하도록 설계된 장치로서 MEMS 가속도계는 dc 응답을 가지며 출력 잡음 밀도를 거의 dc로 유지하고 전자 신호 컨디셔닝의 1/f 모서리에 의해서만 제한되며 신중하게 설계하면 다음을 수행할 수 있습니다. 0.01Hz로 최소화됩니다. 아마도 MEMS 기반 센서의 가장 큰 장점 중 하나는 제조 규모를 확장할 수 있다는 것입니다. MEMS 공급업체는 1990년부터 모바일, 태블릿 및 자동차 애플리케이션을 위해 대량으로 출하했습니다. MEMS 센서와 신호 컨디셔닝 회로 칩 모두를 위한 반도체 제조 시설에 있는 이 제조 능력은 산업 및 항공 애플리케이션에도 사용할 수 있어 전체 비용을 낮추는 데 도움이 됩니다. 또한 지난 25년 동안 자동차 애플리케이션을 위해 XNUMX억 개 이상의 센서가 출하되면서 MEMS 관성 센서의 신뢰성과 품질이 매우 높은 것으로 입증되었습니다. MEMS 센서는 모든 방향에서 충돌을 감지하고 탑승자를 보호하기 위해 안전벨트 텐셔너와 에어백을 적절하게 활성화할 수 있는 복잡한 충돌 안전 시스템을 가능하게 했습니다. 자이로스코프와 안정성이 높은 가속도계도 차량 안전 제어의 핵심 센서입니다. 오늘날의 자동차 시스템은 MEMS 관성 센서를 광범위하게 사용하여 저렴하고 우수한 신뢰성으로 더 안전하고 더 나은 핸들링 자동차를 구현합니다. 현재 많은 응용 분야에서 MEMS 기술에 대한 엄청난 관심과 투자가 이루어지고 있습니다. MEMS의 많은 매력적인 특성 외에도 MEMS 관성 센서는 다른 재료 및 아키텍처를 괴롭히는 많은 품질 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다. MEMS 관성 센서는 25년 이상 까다로운 소비자, 항공 및 자동차 애플리케이션에 사용되어 왔으며 높은 충격과 까다로운 환경에 노출되어 있습니다. MEMS가 상태 모니터링과 같이 더 높은 성능을 요구하는 애플리케이션에 더 침투할 때가 되었습니까? MEMS의 성능은 계속해서 극적으로 향상되어 상태 모니터링 장비 설계자에게 더 많은 옵션을 제공하고 차세대 스마트 센서, 무선 센서 및 저가의 수직 통합 시스템을 가능하게 할 것으로 완전히 예상됩니다.

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