Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Elementy MEMS w monitorowaniu środowiska

ghost666 12 Wrz 2016 21:39 1236 0
  • Elementy MEMS w monitorowaniu środowiska
    Coraz większa liczba systemów monitorowania różnych zmiennych środowiskowych wykorzystuje systemy mikromechaniczne (MEMS). Są to głównie akcelerometry, wykorzystywane do monitorowania położenia czy tego jak porusza się urządzenie. Wykorzystanie elementów MEMS, zamiast klasycznych systemów mechanicznych, ma wiele zalet - są to rozwiązania bardzo ekonomiczne i zajmujące mało miejsca w urządzeniu, co pozwala zredukować jego koszt i problemy instalacyjne. Dzięki temu systemy monitorowania, wykorzystujące układy MEMS, można szerzej implementować w np. fabryce.

    Niestety akcelerometry MEMS posiadają także - oprócz szeregu zalet - swoje wady, w porównaniu do klasycznych sensorów mechanicznych. Głównym 'problemem' jest tutaj ich ograniczone pasmo. Dlatego też systemy tego rodzaju implementowane są w systemach, gdzie wymagane pasmo takiego sensora nie przekraczaj 10 kHz. Tak wąskie pasmo napotkamy i w przypadku ekonomicznych sensorów jak i sensorów najwyższej klasy. Układy MEMS nadrabiają to jednak np. poziomem szumu. Jeśli zadowala nas pasmo kilku kiloherców w systemie zaimplementować możemy niskoszumne akcelerometry MEMS, oferujące szumy na poziomie od 10 ?g/?Hz do 100 ?g/?Hz.

    Nie jest to koniec zalet akcelerometrów MEMS, które sprawiają, że nawet mimo ograniczonego pasma i czasami wysokiego poziomu szumu, inżynierowie bardzo chętnie aplikują te elementy w projektowanych przez siebie urządzeniach. Poniżej przyjrzymy się kilku z tych zalet:

    Waga i rozmiar

    W m.in. aplikacjach lotniczych waga systemu przekłada się na koszty jego eksploatacji - im jest ono cięższe, tym więcej paliwa zużyje. Często koszty paliwa wynoszą tysiące dolarów za kilogram, więc naturalnym jest poszukiwanie lżejszych elementów, jakie można by zastosować w takim urządzeniu, aby zmniejszyć koszty paliwa. Dzisiejsze, nowoczesne trójosiowe układy MEMS produkowane są w obudowach o wymiarach 6 mm x 6 mm i wadze poniżej jednego grama. Dodatkowo, z uwagi na wysoki stopień integracji układów MEMS, oznacza, że finalny system będzie bardziej kompaktowy, gdyż układ MEMS integruje w swojej obudowie część innych elementów toru pomiarowego, co czyni je zbędnymi, dalej zmniejszając wagę. Zmniejsza się też liczba kabli i innych elementów.

    Nowoczesne systemy MEMS integrują w sobie m.in. elementy analogowego toru pomiarowego, wzmacniacze etc, a także konwertery analogowo-cyfrowe - wszystkie one zasilane są pojedynczym napięciem. Dzięki tak dalekiej integracji układu możliwa jest eliminacja wielu elementów w systemie i podłączenie akcelerometru bezpośrednio do interfejsu cyfrowego. Dzięki miniaturyzacji akcelerometrów i PCB, na której są zamontowane, zmniejszyć można całe urządzenie lub umożliwić elastyczniejsze ich umiejscowienie w całej platformie sensorycznej. Dzięki wykorzystaniu obudów do montażu powierzchniowego możliwa jest integracja sensora MEMS wraz z innymi elementami SMD na bardzo niewielkiej płytce drukowanej, która następnie może być zamknięta w dedykowanej, hermetycznej obudowie, jeśli aplikacja takiej wymaga.

    Dzięki zastosowaniu kondycjonerów sygnału w jednej obudowie z układem MEMS. Często spotyka się układy, które w jednej obudowie posiadają tak wyjścia analogowe jak i cyfrowe - pozwala to na ich adaptację do szerokiej gamy aplikacji w różnych sytuacjach. Część układów wyposażona jest np. w interfejsy, szeroko stosowane w przemyśle. Na przykład część układów MEMS dostępnych na rynku wyposażona jest w transceivery RS-485 obsługujące takie protokoły jak Modbus RTU. Dzięki temu niezwykle łatwo podłączyć można takie układy do dowolnego mikrokontrolera.

    Skalowalność

    Jedną z największych zalet wykorzystywania sensorów opartych o układy MEMS jest możliwość skalowania procesu wytwarzania. Producenci układów MEMS produkują duże ich ilości, szczególnie, że producenci tabletów, smartfonów czy firmy motoryzacyjne generują ogromne zapotrzebowanie na tego rodzaju elementy. Technologie półprzewodnikowe, wykorzystywane do produkcji układów scalonych wykorzystywane są także przy produkcji sensorów MEMS jak i towarzyszącej im elektroniki w torze sygnałowym. Dzięki temu możliwe jest produkowanie tych układów szybko i tanio. Dodatkowo, można także produkować elementy dedykowane do np. aplikacji w lotnictwie, dzięki zwiększonej niezawodności itp.

    Stabilność

    Układy MEMS są niezwykle stabilne, nawet w najtrudniejszych środowiskach. Układy takie są w stanie pracować przy uderzeniach do 10 tysięcy g, ale w rzeczywistości tolerują nawet większe przeciążenia i to bez negatywnego wpływu na czułość sensora. Dodatkowo, w przypadku układów o wysokiej czułości, można charakteryzować jej niezmienność w szerokim zakresie temperatur wykorzystując testy zautomatyzowane. Tego rodzaju testy wykazały stabilność badanych elementów na poziomie 0.01°C.

    Producenci sensorów MEMS gwarantują parametry układów w szerokim zakresie temperatur nawet od -40°C do 125°C. W przypadku monolitycznych, scalonych akcelerometrów MEMS i trzech osiach swobody przesłuchy z innych osi są nie większe od 1% i nie zależą od temperatury. Układy MEMS są w stanie mierzyć nie tylko dynamiczne przyspieszenie, ale także posiadają specyfikację DC - wynika to z faktu, że wiele z tych elementów wykorzystywanych jest do mierzenia przyspieszenia ziemskiego w celu np. pozycjonowania urządzenia w przestrzeni. Układy te posiadają bardzo dobre parametry stałoprądowe, zachowując niezmienny poziom szumów wyjściowych niemalże do napięcia stałego. Jedynym ograniczeniem jest narożnik 1/f układów kondycjonujących w torze sygnałowym, jednakże dla bardzo wielu układów częstotliwość graniczna dla tego rodzaju szumu wynosi zaledwie 0,01 Hz.

    Dowiedziona przydatność

    Wykorzystanie niedrogich układów MEMS o wysokiej niezawodności przełożyć może się m.in. na bezpieczniejsze poruszanie się po drogach. Wiele systemów montowanych w samochodach wykorzystuje moduły inercyjne wykonane w technologii MEMS. Przemysł motoryzacyjny zainstalował już w samochodach, w ciągu ostatnich 25 lat, ponad miliard tego rodzaju układów scalonych. Sensory te wykazały się już dużą dozą wytrzymałości, niezawodności i wysoką jakością. Systemy wykorzystujące sensory MEMS zdolne są do wykrywania np. zderzeń, wypadków samochodowych etc, jednocześnie analizując ich kierunek i siłę, co pozwala na odpowiednie uruchamianie napinaczy pasów czy poduszek powietrznych, aby chronić pasażerów. Inne elementy MEMS, takie jak żyroskopy czy akcelerometry, także pełnią krytyczną rolę w systemach zwiększających bezpieczeństwo jazdy samochodem.

    Podsumowanie - przyszłość MEMS w systemach monitorowania

    Aktualnie istnieje ogromne zapotrzebowanie na technologie MEMS dedykowane do szeregu różnych aplikacji, wymagających wysokich parametrów. Dodatkowo, oprócz swoich bardzo kuszących parametrów elektrycznych, sensory inercyjne wykonane w technologii MEMS rozwiązują i inne problemy technologiczne, takie jak np. postępująca miniaturyzacja czy problemy z rozmiarem urządzeń. Jest to niezwykle istotne w aplikacjach w motoryzacji czy lotnictwie, ale także nie bez znaczenia w systemach przemysłowych.

    Sensory MEMS od dawna już obecne są na rynku i są szeroko stosowane m.in. w wymienionych powyżej dziedzinach, jednakże sektor monitorowania środowiska jest pewnym nowum, dla tej klasy układów, co nie zmienia faktu, że dzięki swoim parametrom doskonale nadają się do tworzenia nowej generacji bezprzewodowych sensorów parametrów środowiskowych.

    Źródło: http://electronicdesign.com/test-measurement/bring-benefits-mems-accelerometers-condition-monitoring

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9964 postów o ocenie 8222, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Sklep ElwronSklep Elwron