Wydajność MEMS wchodzi w wiek dojrzałości

Używane na rynku czujniki półprzewodnikowe MEMS posiadają wiele zalet, ale niestety ich zastosowanie w aplikacjach diagnostycznych, zostało ograniczone do standardowych i tanich urządzeń, które używają czujników o małej przepustowości i wysokim poziomie szumów. Najnowsza seria akcelerometrów firmy Analog Devices rozwiązuje ten problem, gwarantując jednocześnie najszerszy zakres pomiarów inercyjnych. Oferowane czujniki przyspieszenia MEMS umożliwiają uzyskanie najwyższej jakości pomiarów nachylenia, drgań i wibracji w aplikacjach, dla których jakość i niezawodność działania są krytyczne. Do takich należą między innymi: monitorowanie stanu zdrowia (Structural Health Monitoring), inklinometry czy układy nawigacji bezwłasnościowej IMU (Inertial Measurement Unit). Ogólnie rzecz biorąc, aplikacje diagnostyczne wymagają niskiego poziomu szumów w zakresie wyższych częstotliwości oraz szerokości pasma powyżej 10kHz. Dzięki wyspecjalizowanym strukturom MEMS i najnowszym technologiom wytwarzania powstały akcelerometry o częstotliwościach rezonansowych do 50kHz i poziomie gęstości szumów do 25μg√Hz. Rysunek 1. Wykres widmowej gęstości mocy PSD (Power Spectral Density) dla akcelerometru o wysokiej częstotliwości rezonansowej. Testy wydajności Do oceny, czy najnowszy czujnik przyspieszenia MEMS byłby odpowiedni w aplikacjach do monitorowania otoczenia, firma Analog Devices przeprowadziła badania porównawcze. W tym celu wykorzystano powszechnie dostępny piezoelektryczny czujnik przyspieszenia, wykonany w oparciu o ceramikę PZT (lead zirconate titanate). Aby zapewnić obu czujnikom tą samą masę i te same reakcje na czynniki zewnętrzne, czujnik MEMS zamocowano na obudowie czujnika PZT. Wyjście analogowe układu MEMS zostało połączone bezpośrednio do analogowego kanału wejściowego tego samego rejestratora danych, co czujnika PZT. Jako urządzenia do zbierania danych z eksperymentów wykorzystano system DAQ (Data Acquisition System). Symulacja niewspółosiowości silnika Badania oparto o rzeczywisty scenariusz, który dotyczył monitorowania pracy turbiny gazowej wraz z nieosiowo połączonym generatorem synchronicznym. W eksperymencie zmierzono poziomy drgań dla turbiny gazowej pracującej z prędkością obrotową 5100obr./min (85Hz) i generatora synchronicznego o prędkości obrotowej 3000obr./min (50Hz). Tabela 1. Zmierzone amplitudy drgań dla zadanych prędkości obrotowych. Na rysunku 2 przedstawiono widma częstotliwości zmierzone przez czujnik przyspieszenia MEMS i PZT o częstotliwościach rezonansowych, odpowiednio 21kHz i 25kHz. Wartość średniej kwadratowej RMS (Root Mean Square) akcelerometru MEMS w paśmie od 1Hz do 1kHz okazała się większa niż akcelerometru PZT o około 30mg , czyli o 1,7%. Rysunek 2. Widmo gęstości szumu dla akcelerometru PZT (górny wykres) i MEMS (dolny wykres). Wyniki są prawie identyczne do 10kHz dla obu czujników. Jednak w przeciwieństwie do PZT, układ MEMS charakteryzuje się niską odpowiedzią częstotliwości w zakresie szumu (1/f), co jest szczególnie interesujące w przypadku urządzeń o bardzo małej częstotliwości pracy, takich jak turbiny wiatrowe. Ze względu na to, że odpowiedź częstotliwości systemu symulującego wibracje spada do zera na bardzo niskich częstotliwościach, odpowiedź obu czujników testowano poprzez „stukanie” w mocowanie urządzenia. Zarejestrowany pomiar w funkcji czasu przekształcono następnie w funkcję częstotliwości. Warto zauważyć, że układ MEMS był w stanie zarejestrować odpowiedź nawet dla bardzo niskich częstotliwości. Rysunek 3. Odpowiedzi obu czujników na zadane wymuszenie. Badania potwierdziły, że wydajność układów MEMS z wyjściem analogowym osiąga wartości porównywalne do tych uzyskanych z czujnika PZT. Nowe układy są zatem dobrą alternatywą dla powszechnie stosowanych czujników piezoelektrycznych. Stanowią również idealne rozwiązanie dla nowych produktów, których zadaniem jest monitorowanie stanu otoczenia. Jednocześnie umożliwiają powstanie całkowicie nowych koncepcji, opartych na elementach półprzewodnikowych, które działają zasilane tylko z +5V. Przykładem mogą być bezprzewodowe inteligentne czujniki, które stają się bardzo atrakcyjnymi urządzeniami w monitorowaniu otoczenia, śledzenia ruchu obiektów, w automatyce domowej, telemedycynie i w innych zastosowaniach przemysłowych. Są to małe urządzenia, które z dużą rozdzielczością gromadzą informacje, takie jak przyspieszenie, prędkość, wilgotność, ciśnienie, temperatura a przy tym posiadają bardzo użyteczne funkcje na poziomie oprogramowania. Wykonują wielokanałowe pomiary a uzyskane dane odpowiednio przekształcają w celu dalszego przetwarzania rozproszonego i podejmowania autonomicznych decyzji. Ze względu na wysoką częstotliwość rezonansową (22kHz) i pełny zakres pomiarów przyspieszeń (FSR) ±70g, ±250g i ±500g, stworzona pierwsza generacja akcelerometrów MEMS tylko pozornie okazała się atrakcyjnym rozwiązaniem dla zaawansowanych aplikacji. Niestety osiągnięta gęstość widmowa szumów na poziomie 4mg√Hz, okazała się niedopuszczalnie wysoka dla większości aplikacji służących do monitorowania stanu otoczenia. Dopiero druga generacja rozwiązała ten problem, zmniejszając o dwa rzędy wielkości gęstość widmową szumów, przy jednoczesnej redukcji zapotrzebowania na energię o 40%. Tabela 2. Porównanie parametrów obu generacji akcelerometrów MEMS. Opracowane czujniki MEMS o wysokiej rozdzielczości i wydajności, znoszą dotychczasowe ograniczenia, umożliwiając wykorzystanie ich w wielu aplikacjach, które służą do monitorowania stanu otoczenia. Rosnące zapotrzebowanie w różnych dziedzinach przemysłu na układy MEMS, pozwoli na ciągły rozwój tej technologii, przyczyniając się jednocześnie do dalszej poprawy bezpieczeństwa i jakości życia. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości Analog Device © Analog Device