状態監視用のMEMS加速度計について知っておくべきこと

コアセンサーとして微小電気機械システム（MEMS）加速度計を採用した、高度に統合された展開が容易な状態監視製品が数多く市場に出回っています。 これらの経済的な製品は、展開と所有の全体的なコストを削減し、その過程で、状態監視プログラムの恩恵を受けることができる施設と機器の領域を拡大するのに役立ちます。 ソリッドステートMEMS加速度計は、従来の機械式センサーと比較して多くの魅力的な属性を備えていますが、残念ながら、状態監視への使用は、低コストの標準ベースのスマートセンサーなどの製品に低帯域幅センサーを使用できるアプリケーションに限定されています。 一般に、ノイズ性能は、10kHzを超える高い周波数範囲と帯域幅でより低いノイズを必要とする診断アプリケーションに対応するのに十分なほど低くはありません。 低ノイズMEMS加速度計は、現在、10 µg /√Hzから100µg /√Hzの範囲のノイズ密度レベルで利用できますが、帯域幅は数kHzに制限されています。 これは、状態監視製品の設計者が、新製品のコンセプトと正当な理由で十分に優れたノイズ性能を備えたMEMSを使用することを妨げていません。 ソリッドステートエレクトロニクスと組み込みの半導体製造設備に基づく技術として、MEMSは状態監視製品の設計者にいくつかの魅力的で価値のある利点を提供します。 性能要因は別として、MEMS加速度計が状態監視の分野の誰にとっても関心があるべきである主な理由はここにあります。       図1。 慣性MEMS加速度計の走査型電子顕微鏡（SEM）画像。 ポリシリコンフィンガーは減圧された空洞に吊り下げられて動きを可能にし、加速度に比例する電気容量が隣接する信号調整電子機器によって測定されます。 サイズと重さから始めましょう。 健康および使用状況監視システム（HUMS）などの空中アプリケーションの場合、重量は非常に高く、燃料費はXNUMXポンドあたり数千ドルです。 通常、プラットフォーム上に複数のセンサーが配置されているため、各センサーの重量を減らすことができれば、軽量化を楽しむことができます。 今日、フットプリントが6mm×6mm未満の表面実装パッケージの高性能XNUMX軸MEMSデバイスは、XNUMXグラム未満の重量になる可能性があります。 この小さなサイズと多くのMEMS製品の高度に統合された性質により、設計者は最終パッケージのサイズを縮小して重量を減らすこともできます。 典型的なMEMSデバイスのインターフェースは単一電源であるため、管理が容易であり、ケーブルのコストと重量を節約するのに役立つデジタルインターフェースへの貸し出しも容易です。 ソリッドステート電子機器もトランスデューサのサイズに影響を与える可能性があります。 プリント回路基板（PCB）に取り付けられ、マシンへの取り付けとケーブル接続に適したハーメチックハウジングに挿入された、より小さなフォームファクタの三軸は、パッケージ全体をより小さくし、プラットフォームへの取り付けと配置の柔軟性を高めるのに役立ちます。 さらに、今日のMEMSデバイスには、大量の統合された単一電圧供給信号調整電子機器を含めることができ、アナログまたはデジタルインターフェイスに非常に低い電力を提供して、バッテリ駆動のワイヤレス製品を実現します。 たとえば、ADXL355は、高解像度、高安定性の18軸加速度計で、Σ-Δアナログ-デジタルコンバーター（ADC）が統合されており、実効解像度は4ビット、出力データレートは65 kSPSで、消費量は軸あたりXNUMXµA。 アナログとデジタルの両方の出力変動を伴うMEMS信号調整回路のトポロジーは一般的であり、トランスデューサーの設計者がセンサーをさまざまな状況に適応させるためのオプションを開き、産業環境で一般的に利用可能なデジタルインターフェースへの移行を可能にします。 たとえば、RS-485トランシーバチップは広く利用可能であり、ModbusRTUなどのオープンマーケットプロトコルを利用して隣接するマイクロコントローラにロードできます。 完全な送信機ソリューションは、比較的小さなPCB領域内に収まる小さなフットプリントの表面実装チップを使用して設計およびレイアウトでき、その後、気密または本質的に安全な特性を必要とする環境堅牢性認証をサポートできるパッケージに挿入できます。 MEMSは、環境の変化に対しても非常に堅牢であることが実証されています。 今日の世代のデバイスの衝撃仕様は10,000gと記載されていますが、実際には、感度仕様に影響を与えることなく、はるかに高いレベルに耐えることができます。 感度は、自動試験装置（ATE）でトリミングでき、高解像度センサー用に時間と温度が0.01°Cまで安定するように設計および構築できます。 オフセットシフト仕様を含む全体的な動作は、-40°C〜 + 125°Cなどの広い温度範囲で保証されます。 すべてのチャネルが同じ基板上にあるモノリシック1軸センサーの場合、XNUMX％の交差軸感度が一般的に指定されます。 最後に、重力ベクトルを測定するように設計されたデバイスとして、MEMS加速度計はDC応答を持ち、出力ノイズ密度をDC近くに維持し、電子信号調整の1 / fコーナーによってのみ制限され、注意深く設計することで、 0.01Hzに最小化。 おそらく、MEMSベースのセンサーの最大の利点のXNUMXつは、製造をスケールアップできることです。 MEMSベンダーは、1990年以来、モバイル、タブレット、および自動車アプリケーション向けに大量に出荷しています。 MEMSセンサーと信号調整回路チップの両方の半導体製造施設にあるこの製造能力は、産業および航空アプリケーションにも利用可能であり、全体的なコストの削減に役立ちます。 さらに、過去25年間に自動車用途向けにXNUMX億を超えるセンサーが出荷されており、MEMS慣性センサーの信頼性と品質は非常に高いことが実証されています。 MEMSセンサーは、あらゆる方向からの衝突を検出し、シートベルトテンショナーとエアバッグを適切に作動させて乗員を保護できる複雑な衝突安全システムを可能にしました。 ジャイロスコープと高安定加速度計も、車両の安全制御における重要なセンサーです。 今日の自動車システムは、MEMS慣性センサーを多用して、より安全で優れたハンドリングを低コストで優れた信頼性で実現しています。 現在、多くのアプリケーションのMEMS技術に多大な関心と投資があります。 MEMSの多くの魅力的な品質に加えて、MEMS慣性センサーは、他の材料やアーキテクチャを悩ませている品質問題の多くを軽減するのにも役立ちます。 MEMS慣性センサーは、要求の厳しい消費者、航空、および自動車のアプリケーションで25年以上使用されており、高い衝撃と要求の厳しい環境にさらされてきました。 状態監視など、より高い性能を要求するアプリケーションにMEMSがさらに浸透する時が来ましたか？ MEMSの性能は劇的に向上し続け、状態監視装置の設計者により多くのオプションを提供し、新世代のスマートセンサー、ワイヤレスセンサー、および低コストの垂直統合システムを可能にすることが十分に期待されています。

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