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,且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,將智慧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。

MEMS加速度計系列

Analog Devices(ADI)推出全新系列的低雜訊/低功耗三軸加速度計:包括類比輸出的ADXL355輸出數位訊號且可設定量測範圍±2g、±4g及±8g;ADXL356輸出類比訊號、ADXL357輸出數位訊號,可設定量測範圍為±10g、±20g及±40g。

20180720TA02P1 圖1 ADI推出的新款ADXL356與ADXL357 MEMS加速度計。

這些元件可用在各種慣性量測單元(IMU)、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。

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2g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,導致感測器出現破表的量程飽和狀態,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40g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。MEMS加速度計元件在待機模式僅消耗21μA的電流,類比輸出元件耗電150μA,在量測模式中輸出數位訊號則消耗200μA。在主控端微控制器處於休眠模式時,元件中的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。加速度計在低g力量測元件的雜訊密度為20μg/√Hz,高g力元件則為80μg/√Hz。此外,內部架構也有助於最佳化加速度計的靈敏度。圖2顯示類比與數位元件的方塊圖,感測器送出的訊號會經過一個濾波模組,然後進行後續階段的處理。在濾波器之後與輸出介面之前,設置一個緩衝區及32kΩ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5.5kHz,但頻率響應主要由抗混疊濾波器決定,而其截止頻率為1.5kHz。最後,為了提供要求的解析度,會利用20bit的Σ-Δ轉換器執行類比至數位轉換。而拜這些功能之賜,這些加速度計還能用來記錄各種地震事件。

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。這些加速度計採用強固型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40~125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力加速度計的最大漂移為±0.15mg/°C,而像ADXL356/ADXL357這些高g力加速度計的最大漂移則為±0.75mg/°C。此外,加速度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。

20180720TA02P2 圖2 ADXL356與ADXL357模組圖表。

20180720TA02P3 表1 新系列MEMS加速度計的主要功能特色。

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。ADI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及ADXL357等元件補強新系列高g力加速度計的產品線,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及最高達24kHz的超高頻寬。