reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© rob bouwman dreamstime.com Technologie | 18 pa藕dziernika 2017

Wydajno艣膰 MEMS wchodzi w wiek dojrza艂o艣ci

Szybki rozw贸j technologii wytwarzania uk艂ad贸w MEMS w po艂膮czeniu z innowacyjnym ich projektowaniem, pozwoli艂y na znaczne poprawienie wydajno艣ci mikroelektromechanicznych czujnik贸w, tak aby uczyni膰 je op艂acalnym rozwi膮zaniem w tworzeniu aplikacji do monitorowania stanu otoczenia.
U偶ywane na rynku czujniki p贸艂przewodnikowe MEMS posiadaj膮 wiele zalet, ale niestety ich zastosowanie w aplikacjach diagnostycznych, zosta艂o ograniczone do standardowych i tanich urz膮dze艅, kt贸re u偶ywaj膮 czujnik贸w o ma艂ej przepustowo艣ci i wysokim poziomie szum贸w. Najnowsza seria akcelerometr贸w firmy Analog Devices rozwi膮zuje ten problem, gwarantuj膮c jednocze艣nie najszerszy zakres pomiar贸w inercyjnych. Oferowane czujniki przyspieszenia MEMS umo偶liwiaj膮 uzyskanie najwy偶szej jako艣ci pomiar贸w nachylenia, drga艅 i wibracji w aplikacjach, dla kt贸rych jako艣膰 i niezawodno艣膰 dzia艂ania s膮 krytyczne. Do takich nale偶膮 mi臋dzy innymi: monitorowanie stanu zdrowia (Structural Health Monitoring), inklinometry czy uk艂ady nawigacji bezw艂asno艣ciowej IMU (Inertial Measurement Unit). Og贸lnie rzecz bior膮c, aplikacje diagnostyczne wymagaj膮 niskiego poziomu szum贸w w zakresie wy偶szych cz臋stotliwo艣ci oraz szeroko艣ci pasma powy偶ej 10kHz. Dzi臋ki wyspecjalizowanym strukturom MEMS i najnowszym technologiom wytwarzania powsta艂y akcelerometry o cz臋stotliwo艣ciach rezonansowych do 50kHz i poziomie g臋sto艣ci szum贸w do 25渭g鈭欻z. Rysunek 1. Wykres widmowej g臋sto艣ci mocy PSD (Power Spectral Density) dla akcelerometru o wysokiej cz臋stotliwo艣ci rezonansowej. Testy wydajno艣ci Do oceny, czy najnowszy czujnik przyspieszenia MEMS by艂by odpowiedni w aplikacjach do monitorowania otoczenia, firma Analog Devices przeprowadzi艂a badania por贸wnawcze. W tym celu wykorzystano powszechnie dost臋pny piezoelektryczny czujnik przyspieszenia, wykonany w oparciu o ceramik臋 PZT (lead zirconate titanate). Aby zapewni膰 obu czujnikom t膮 sam膮 mas臋 i te same reakcje na czynniki zewn臋trzne, czujnik MEMS zamocowano na obudowie czujnika PZT. Wyj艣cie analogowe uk艂adu MEMS zosta艂o po艂膮czone bezpo艣rednio do analogowego kana艂u wej艣ciowego tego samego rejestratora danych, co czujnika PZT. Jako urz膮dzenia do zbierania danych z eksperyment贸w wykorzystano system DAQ (Data Acquisition System). Symulacja niewsp贸艂osiowo艣ci silnika Badania oparto o rzeczywisty scenariusz, kt贸ry dotyczy艂 monitorowania pracy turbiny gazowej wraz z nieosiowo po艂膮czonym generatorem synchronicznym. W eksperymencie zmierzono poziomy drga艅 dla turbiny gazowej pracuj膮cej z pr臋dko艣ci膮 obrotow膮 5100obr./min (85Hz) i generatora synchronicznego o pr臋dko艣ci obrotowej 3000obr./min (50Hz). Tabela 1. Zmierzone amplitudy drga艅 dla zadanych pr臋dko艣ci obrotowych. Na rysunku 2 przedstawiono widma cz臋stotliwo艣ci zmierzone przez czujnik przyspieszenia MEMS i PZT o cz臋stotliwo艣ciach rezonansowych, odpowiednio 21kHz i 25kHz. Warto艣膰 艣redniej kwadratowej RMS (Root Mean Square) akcelerometru MEMS w pa艣mie od 1Hz do 1kHz okaza艂a si臋 wi臋ksza ni偶 akcelerometru PZT o oko艂o 30mg , czyli o 1,7%. Rysunek 2. Widmo g臋sto艣ci szumu dla akcelerometru PZT (g贸rny wykres) i MEMS (dolny wykres). Wyniki s膮 prawie identyczne do 10kHz dla obu czujnik贸w. Jednak w przeciwie艅stwie do PZT, uk艂ad MEMS charakteryzuje si臋 nisk膮 odpowiedzi膮 cz臋stotliwo艣ci w zakresie szumu (1/f), co jest szczeg贸lnie interesuj膮ce w przypadku urz膮dze艅 o bardzo ma艂ej cz臋stotliwo艣ci pracy, takich jak turbiny wiatrowe. Ze wzgl臋du na to, 偶e odpowied藕 cz臋stotliwo艣ci systemu symuluj膮cego wibracje spada do zera na bardzo niskich cz臋stotliwo艣ciach, odpowied藕 obu czujnik贸w testowano poprzez 鈥瀞tukanie鈥 w mocowanie urz膮dzenia. Zarejestrowany pomiar w funkcji czasu przekszta艂cono nast臋pnie w funkcj臋 cz臋stotliwo艣ci. Warto zauwa偶y膰, 偶e uk艂ad MEMS by艂 w stanie zarejestrowa膰 odpowied藕 nawet dla bardzo niskich cz臋stotliwo艣ci. Rysunek 3. Odpowiedzi obu czujnik贸w na zadane wymuszenie. Badania potwierdzi艂y, 偶e wydajno艣膰 uk艂ad贸w MEMS z wyj艣ciem analogowym osi膮ga warto艣ci por贸wnywalne do tych uzyskanych z czujnika PZT. Nowe uk艂ady s膮 zatem dobr膮 alternatyw膮 dla powszechnie stosowanych czujnik贸w piezoelektrycznych. Stanowi膮 r贸wnie偶 idealne rozwi膮zanie dla nowych produkt贸w, kt贸rych zadaniem jest monitorowanie stanu otoczenia. Jednocze艣nie umo偶liwiaj膮 powstanie ca艂kowicie nowych koncepcji, opartych na elementach p贸艂przewodnikowych, kt贸re dzia艂aj膮 zasilane tylko z +5V. Przyk艂adem mog膮 by膰 bezprzewodowe inteligentne czujniki, kt贸re staj膮 si臋 bardzo atrakcyjnymi urz膮dzeniami w monitorowaniu otoczenia, 艣ledzenia ruchu obiekt贸w, w automatyce domowej, telemedycynie i w innych zastosowaniach przemys艂owych. S膮 to ma艂e urz膮dzenia, kt贸re z du偶膮 rozdzielczo艣ci膮 gromadz膮 informacje, takie jak przyspieszenie, pr臋dko艣膰, wilgotno艣膰, ci艣nienie, temperatura a przy tym posiadaj膮 bardzo u偶yteczne funkcje na poziomie oprogramowania. Wykonuj膮 wielokana艂owe pomiary a uzyskane dane odpowiednio przekszta艂caj膮 w celu dalszego przetwarzania rozproszonego i podejmowania autonomicznych decyzji. Ze wzgl臋du na wysok膮 cz臋stotliwo艣膰 rezonansow膮 (22kHz) i pe艂ny zakres pomiar贸w przyspiesze艅 (FSR) 卤70g, 卤250g i 卤500g, stworzona pierwsza generacja akcelerometr贸w MEMS tylko pozornie okaza艂a si臋 atrakcyjnym rozwi膮zaniem dla zaawansowanych aplikacji. Niestety osi膮gni臋ta g臋sto艣膰 widmowa szum贸w na poziomie 4mg鈭欻z, okaza艂a si臋 niedopuszczalnie wysoka dla wi臋kszo艣ci aplikacji s艂u偶膮cych do monitorowania stanu otoczenia. Dopiero druga generacja rozwi膮za艂a ten problem, zmniejszaj膮c o dwa rz臋dy wielko艣ci g臋sto艣膰 widmow膮 szum贸w, przy jednoczesnej redukcji zapotrzebowania na energi臋 o 40%. Tabela 2. Por贸wnanie parametr贸w obu generacji akcelerometr贸w MEMS. Opracowane czujniki MEMS o wysokiej rozdzielczo艣ci i wydajno艣ci, znosz膮 dotychczasowe ograniczenia, umo偶liwiaj膮c wykorzystanie ich w wielu aplikacjach, kt贸re s艂u偶膮 do monitorowania stanu otoczenia. Rosn膮ce zapotrzebowanie w r贸偶nych dziedzinach przemys艂u na uk艂ady MEMS, pozwoli na ci膮g艂y rozw贸j tej technologii, przyczyniaj膮c si臋 jednocze艣nie do dalszej poprawy bezpiecze艅stwa i jako艣ci 偶ycia. Artyku艂 opublikowano dzi臋ki uprzejmo艣ci Analog Device 漏 Analog Device
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
February 20 2019 12:04 V12.2.3-2