Lo que necesita saber sobre los acelerómetros MEMS para el monitoreo de condiciones

Están apareciendo en el mercado muchos productos de monitoreo de condición altamente integrados y fáciles de implementar que emplean un acelerómetro de sistema microelectromecánico (MEMS) como sensor central. Estos productos económicos ayudan a reducir el costo total de implementación y propiedad y, en el proceso, expanden el universo de instalaciones y equipos que pueden beneficiarse de un programa de monitoreo de condición. Los acelerómetros MEMS de estado sólido tienen muchos atributos atractivos en comparación con los sensores mecánicos heredados, pero desafortunadamente su uso para el monitoreo de condiciones se ha restringido a aplicaciones que pueden tolerar el uso de sensores de menor ancho de banda para productos como sensores inteligentes de bajo costo basados ​​en estándares. En general, el rendimiento del ruido no es lo suficientemente bajo para servir aplicaciones de diagnóstico que requieren menos ruido en rangos de frecuencia más altos y anchos de banda más allá de 10 kHz. Los acelerómetros MEMS de bajo ruido están disponibles en la actualidad con niveles de densidad de ruido que oscilan entre 10 µg / √Hz y 100 µg / √Hz, pero están restringidos a unos pocos kHz de ancho de banda. Esto no ha impedido que los diseñadores de productos de monitoreo de condiciones usen un MEMS con un rendimiento de ruido que sea lo suficientemente bueno en sus nuevos conceptos de producto y por una buena razón. Como tecnología basada en electrónica de estado sólido e instalaciones de fabricación de semiconductores integradas, un MEMS ofrece varias ventajas convincentes y valiosas para el diseñador de productos de monitoreo de condición. Dejando de lado el factor de rendimiento, aquí están las principales razones por las que los acelerómetros MEMS deberían ser de interés para cualquier persona en el campo de la monitorización de condiciones.       Figura 1. Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de un acelerómetro MEMS inercial. Los dedos de polisilicio están suspendidos en una cavidad despresurizada para permitir el movimiento y la capacitancia eléctrica proporcional a la aceleración se mide mediante la electrónica de acondicionamiento de señal adyacente. Empecemos por el tamaño y el peso. Para aplicaciones aerotransportadas, como en los sistemas de monitoreo de uso y salud (HUMS), el peso es extremadamente costoso, con costos de combustible de miles de dólares por libra. Con varios sensores normalmente desplegados en una plataforma, se puede disfrutar de un ahorro de peso si se puede reducir el peso de cada sensor. Hoy en día, un dispositivo MEMS triaxial de mayor rendimiento en un paquete de montaje en superficie con menos de 6 mm × 6 mm de superficie puede pesar menos de un gramo. Este pequeño tamaño y la naturaleza altamente integrada de muchos productos MEMS también permiten al diseñador reducir el tamaño del paquete final, reduciendo el peso. La interfaz de un dispositivo MEMS típico es de suministro único, lo que facilita su administración y se presta más fácilmente a una interfaz digital que también puede ayudar a ahorrar en el costo y el peso de los cables. La electrónica de estado sólido también puede afectar el tamaño del transductor. Un triaxial de factor de forma más pequeño montado en una placa de circuito impreso (PCB) e insertado en una carcasa hermética adecuada para montaje y cableado en una máquina, puede ayudar a habilitar un paquete general más pequeño, ofreciendo más flexibilidad de montaje y colocación en la plataforma. Además, los dispositivos MEMS actuales pueden incluir cantidades significativas de componentes electrónicos de acondicionamiento de señal de suministro de voltaje único integrados, que brindan interfaces analógicas o digitales con muy baja potencia para ayudar a habilitar productos inalámbricos alimentados por batería. Por ejemplo, el ADXL355, un acelerómetro triaxial de alta resolución y alta estabilidad tiene un convertidor analógico-digital (ADC) Σ-Δ integrado, con una resolución efectiva de 18 bits y una velocidad de datos de salida de 4 kSPS, y consume menos de 65 µA por eje. La topología de un circuito de acondicionamiento de señales MEMS con variaciones de salida tanto analógicas como digitales es común y abre opciones para que el diseñador del transductor adapte el sensor a una variedad más amplia de situaciones, lo que permite una transición a interfaces digitales comúnmente disponibles en entornos industriales. Por ejemplo, los chips transceptores RS-485 están ampliamente disponibles y los protocolos de mercado abierto, como Modbus RTU, están disponibles para cargar en un microcontrolador adyacente. Se puede diseñar y distribuir una solución de transmisor completa con chips de montaje en superficie de pequeño tamaño que pueden caber en áreas de PCB relativamente pequeñas, que luego se pueden insertar en paquetes que pueden admitir certificaciones de robustez ambiental que requieren características herméticas o intrínsecamente seguras. Un MEMS también ha demostrado ser muy robusto a los cambios en el medio ambiente. Las especificaciones de choque de la generación actual de dispositivos se establecen en 10,000 g, pero en realidad pueden tolerar niveles mucho más altos sin impacto en las especificaciones de sensibilidad. La sensibilidad puede recortarse en un equipo de prueba automático (ATE) y diseñarse y construirse para que sea estable en el tiempo y la temperatura a 0.01 ° C para un sensor de alta resolución. El funcionamiento general, incluidas las especificaciones de desplazamiento de compensación, se puede garantizar para amplios rangos de temperatura, como -40 ° C a + 125 ° C. Para un sensor triaxial monolítico con todos los canales en el mismo sustrato, comúnmente se especifica una sensibilidad del eje transversal del 1%. Finalmente, como un dispositivo diseñado para medir el vector de gravedad, un acelerómetro MEMS tiene una respuesta de cd, manteniendo la densidad de ruido de salida cerca de cd, limitada solo por la esquina 1 / f del acondicionamiento de la señal electrónica y, con un diseño cuidadoso, puede ser minimizado a 0.01 Hz. Quizás una de las mayores ventajas de los sensores basados ​​en MEMS es la capacidad de ampliar la fabricación. Los proveedores de MEMS han estado enviando grandes volúmenes para móviles, tabletas y aplicaciones automotrices desde 1990. Esta capacidad de fabricación que reside en las instalaciones de fabricación de semiconductores tanto para el sensor MEMS como para el chip del circuito de acondicionamiento de señal también está disponible para aplicaciones industriales y de aviación, lo que ayuda a reducir el costo total. Además, con más de mil millones de sensores enviados para aplicaciones automotrices durante los últimos 25 años, se ha demostrado que la confiabilidad y calidad de los sensores inerciales MEMS son muy altas. Los sensores MEMS han habilitado sistemas complejos de seguridad contra choques que pueden detectar choques desde cualquier dirección y activar adecuadamente los tensores de los cinturones de seguridad y las bolsas de aire para proteger a los ocupantes. Los giroscopios y los acelerómetros de alta estabilidad también son sensores clave en los controles de seguridad del vehículo. Los sistemas automotrices actuales hacen un uso extensivo de los sensores inerciales MEMS para permitir vehículos más seguros y de mejor manejo a bajo costo y excelente confiabilidad. Actualmente, existe un gran interés e inversión en la tecnología MEMS para muchas aplicaciones. Además de las muchas cualidades atractivas de un MEMS, los sensores inerciales de MEMS también ayudan a aliviar muchos de los problemas de calidad que afectan a otros materiales y arquitecturas. Los sensores inerciales MEMS se han utilizado en aplicaciones exigentes de consumo, aviación y automotriz durante más de 25 años y han sido sometidos a fuertes impactos y entornos exigentes. ¿Ha llegado el momento de que MEMS penetre más en las aplicaciones que exigen un mayor rendimiento, como la monitorización de condiciones? Se espera que el rendimiento de MEMS continúe mejorando drásticamente, proporcionando más opciones para los diseñadores de equipos de monitoreo de condición y permitiendo una nueva generación de sensores inteligentes, sensores inalámbricos y sistemas integrados verticalmente de bajo costo.

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