Ce que vous devez savoir sur les accéléromètres MEMS pour la surveillance des conditions

De nombreux produits de maintenance conditionnelle hautement intégrés et faciles à déployer qui utilisent un accéléromètre à système microélectromécanique (MEMS) comme capteur central font leur apparition sur le marché. Ces produits économiques permettent de réduire le coût global de déploiement et de possession et, ce faisant, d'élargir l'univers des installations et des équipements pouvant bénéficier d'un programme de maintenance conditionnelle. Les accéléromètres MEMS à semi-conducteurs ont de nombreux attributs attrayants par rapport aux capteurs mécaniques traditionnels, mais malheureusement, leur utilisation pour la surveillance des conditions a été limitée aux applications qui peuvent tolérer l'utilisation de capteurs à bande passante inférieure pour des produits tels que les capteurs intelligents standard à faible coût. En général, les performances de bruit ne sont pas suffisamment faibles pour servir les applications de diagnostic qui nécessitent un bruit plus faible sur des plages de fréquences plus élevées et des bandes passantes au-delà de 10 kHz. Les accéléromètres MEMS à faible bruit sont disponibles aujourd'hui avec des niveaux de densité de bruit allant de 10 µg/√Hz à 100 µg/√Hz, mais sont limités à quelques kHz de bande passante. Cela n'a pas empêché les concepteurs de produits de surveillance d'état d'utiliser un MEMS avec des performances sonores juste assez bonnes dans leurs nouveaux concepts de produits et pour une bonne raison. En tant que technologie basée sur l'électronique à semi-conducteurs et des installations de fabrication de semi-conducteurs intégrées, un MEMS offre plusieurs avantages convaincants et précieux au concepteur de produits de surveillance d'état. Mis à part le facteur de performance, voici les principales raisons pour lesquelles les accéléromètres MEMS devraient intéresser toute personne dans le domaine de la surveillance des conditions.       Figure 1. Image au microscope électronique à balayage (MEB) d'un accéléromètre MEMS inertiel. Des doigts en polysilicium sont suspendus dans une cavité dépressurisée pour permettre le mouvement et la capacité électrique proportionnelle à l'accélération est mesurée par l'électronique de conditionnement de signal adjacente. Commençons par la taille et le poids. Pour les applications aéroportées, telles que les systèmes de surveillance de la santé et de l'utilisation (HUMS), le poids est extrêmement coûteux, avec des coûts de carburant de plusieurs milliers de dollars par livre. Avec plusieurs capteurs généralement déployés sur une plate-forme, des économies de poids peuvent être réalisées si le poids de chaque capteur peut être réduit. Aujourd'hui, un dispositif MEMS triaxial plus performant dans un boîtier à montage en surface avec moins de 6 mm × 6 mm d'encombrement peut peser moins d'un gramme. Cette petite taille et la nature hautement intégrée de nombreux produits MEMS permettent également au concepteur de réduire la taille de l'emballage final, réduisant ainsi le poids. L'interface d'un appareil MEMS typique est une alimentation unique, ce qui la rend plus facile à gérer et se prête plus facilement à une interface numérique qui peut également aider à économiser sur le coût et le poids des câbles. L'électronique à semi-conducteurs peut également avoir un impact sur la taille du transducteur. Un facteur de forme triaxial plus petit monté sur une carte de circuit imprimé (PCB) et inséré dans un boîtier hermétique adapté au montage et au câblage sur une machine, peut aider à permettre un boîtier global plus petit, offrant plus de flexibilité de montage et de placement sur la plate-forme. De plus, les dispositifs MEMS d'aujourd'hui peuvent inclure une quantité importante d'électronique de conditionnement de signal d'alimentation à tension unique intégrée, fournissant des interfaces analogiques ou numériques avec une très faible puissance pour aider à activer des produits sans fil alimentés par batterie. Par exemple, l'ADXL355, un accéléromètre triaxial haute résolution et haute stabilité, possède un convertisseur analogique-numérique (ADC) Σ-Δ intégré, avec une résolution effective de 18 bits et un débit de données de sortie de 4 kSPS, et consomme moins de 65 µA par axe. La topologie d'un circuit de conditionnement de signal MEMS avec des variations de sortie analogiques et numériques est courante et ouvre des options au concepteur de transducteurs pour adapter le capteur à une plus grande variété de situations, permettant une transition vers des interfaces numériques couramment disponibles dans les environnements industriels. Par exemple, les puces d'émetteur-récepteur RS-485 sont largement disponibles et les protocoles du marché libre, tels que Modbus RTU, peuvent être chargés dans un microcontrôleur adjacent. Une solution de transmetteur complète peut être conçue et disposée avec des puces à montage en surface à faible encombrement pouvant s'adapter à des zones de circuits imprimés relativement petites, qui peuvent ensuite être insérées dans des boîtiers pouvant prendre en charge les certifications de robustesse environnementale nécessitant des caractéristiques hermétiques ou de sécurité intrinsèque. Un MEMS s'est également avéré très résistant aux changements de l'environnement. Les spécifications de choc de la génération actuelle d'appareils sont fixées à 10,000 XNUMX g, mais peuvent en réalité tolérer des niveaux beaucoup plus élevés sans impact sur les spécifications de sensibilité. La sensibilité peut être ajustée sur un équipement de test automatique (ATE) et conçue et construite pour être stable dans le temps et à la température jusqu'à 0.01 °C pour un capteur haute résolution. Le fonctionnement global, y compris les spécifications de décalage décalé, peut être garanti pour de larges plages de températures, telles que -40°C à +125°C. Pour un capteur triaxial monolithique avec tous les canaux sur le même substrat, une sensibilité de l'axe transversal de 1% est généralement spécifiée. Enfin, en tant qu'appareil conçu pour mesurer le vecteur de gravité, un accéléromètre MEMS a une réponse en courant continu, maintenant la densité de bruit de sortie proche du courant continu, limitée uniquement par le coin 1/f du conditionnement du signal électronique et, avec une conception soignée, peut être minimisé à 0.01 Hz. L'un des plus grands avantages des capteurs basés sur MEMS est peut-être la capacité d'augmenter la fabrication. Les fournisseurs de MEMS expédient des volumes élevés pour les mobiles, les tablettes et les applications automobiles depuis 1990. Cette capacité de fabrication résidant dans les installations de fabrication de semi-conducteurs pour le capteur MEMS et la puce de circuit de conditionnement de signal est également disponible pour les applications industrielles et aéronautiques, ce qui contribue à réduire le coût global. De plus, avec plus d'un milliard de capteurs livrés pour les applications automobiles au cours des 25 dernières années, la fiabilité et la qualité des capteurs inertiels MEMS se sont avérées très élevées. Les capteurs MEMS ont activé des systèmes de sécurité en cas de collision complexes qui peuvent détecter les collisions dans n'importe quelle direction et activer de manière appropriée les tendeurs de ceinture de sécurité et les airbags pour protéger les occupants. Les gyroscopes et les accéléromètres à haute stabilité sont également des capteurs clés dans les contrôles de sécurité des véhicules. Les systèmes automobiles d'aujourd'hui utilisent largement les capteurs inertiels MEMS pour permettre des voitures plus sûres et plus maniables à faible coût et avec une excellente fiabilité. Actuellement, la technologie MEMS suscite un intérêt et un investissement considérables pour de nombreuses applications. En plus des nombreuses qualités attrayantes d'un MEMS, les capteurs inertiels MEMS aident également à atténuer de nombreux problèmes de qualité qui affectent d'autres matériaux et architectures. Les capteurs inertiels MEMS sont utilisés dans des applications exigeantes de consommation, d'aviation et d'automobile depuis plus de 25 ans et ont été soumis à des chocs élevés et à des environnements exigeants. Le moment est-il venu pour les MEMS de pénétrer davantage les applications exigeant des performances plus élevées, telles que la surveillance des conditions ? On s'attend à ce que les performances des MEMS continuent de s'améliorer considérablement, offrant davantage d'options aux concepteurs d'équipements de surveillance de l'état et permettant une nouvelle génération de capteurs intelligents, de capteurs sans fil et de systèmes intégrés verticalement à faible coût.

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