是什么特性让MEMS传感器适用于智能基础设施？

　　平板电脑、智能电话、视频游戏机、摄录机和相机彻底改变了传感器世界，其中包括MEMS加速度计和陀螺仪。它们能够测量运动，导致很多使用这些传感器的设备得以改善性能并增加功能。
　　虽然消费电子应用激发了对这些传感器的需求，但其在其他市场的应用也在增加。随着数字化或物联网的出现，传感器正成为工业基础设施应用的核心。在这种情况下，应用依赖MEMS 进行状态监控和结构健康监测。与这些新应用相伴而来的是关于性能和可靠性的非常具体的标准。

　　智能基础设施
　　利用数字化创建智能基础设施可带来诸多好处，其中包括更高的容量、效率和可靠性。智能基础设施可为客户和用户提供更多且更有针对性的服务，而无需增加投资或资源。此外，互连基础设施可以收集数据，以帮助更有效地设计和实现未来基础设施。将智能引入基础设施还可以有效解决维护的主要挑战。MEMS传感器在结构健康监测中起着决定性作用。它们可用于测量倾斜度变化、振动分析以及线性或圆周运动——即使在极端条件下也能测量。通过此类传感器可以执行预测性维护，更好地利用可用资源并帮助避免服务故障和中断。ADI公司拥有深厚的专业知识，并已投入巨资开发可支持智能基础设施应用的MEMS技术。

　　ADXL35x MEMS加速度计系列
　　ADI公司推出了一系列新型低噪声、低功耗、3轴加速度计：提供模拟输出的ADXL354；提供数字输出和±2g、±4g、±8g可编程范围的ADXL355；提供模拟输出的ADXL356；提供数字输出和±10g、±20g、±40g可编程范围的ADXL357。
　　
　　图1. ADI公司的ADXL356和ADXL357 MEMS加速度计
　　这些器件可用于IMU（惯性测量单元）、平台稳定系统、倾角计和预测性维护系统。这些中高档传感器专为一些要求极为苛刻的传感器应用而设计，例如地震分析、工业和基础设施预测性维护系统。

　　支持结构健康监测的高级特性
　　支持结构健康监测的高级特性对于状态监控和结构健康监测，测量范围是一个重要参数。例如，在加速度峰值为几个g的应用中，2 g范围的传感器就足够了。但是，这些器件常常工作在受到强烈振动和冲击的环境中，这会导致传感器饱和。一旦饱和，就不可能测量出正确的加速度。结果是数据丢失，直到器件恢复正常工作为止。这种情况下，可以使用40 g传感器。达到饱和的可能性较小，即使存在很高的机械噪声，也可以通过适当的信号处理提取所需的信息。
　　许多基础设施应用中的传感器可能在远程或很难接近，因此无线传感器网络是最佳解决方案。这使得低功耗成为另一个关键考虑因素。ADXL35x器件在待机模式下的功耗仅为21μA；在测量模式下，模拟输出器件的功耗为150μA，数字输出器件的功耗为200μA。当主机微控制器处于休眠模式时，ADXL355/ ADXL357中的FIFO存储器存储数据。当存储器满时，中断将唤醒微控制器传输数据并执行要求的操作。微控制器一旦完成传输，便返回低功耗休眠模式，确保系统功耗非常低。
　　通常，低功耗是以牺牲其他性能为代价的，例如速度和噪声。在ADXL35x加速度计中，低g器件的噪声谱密度为20μg/√Hz，高g器件的噪声谱密度为80μg/√Hz。另外，内部架构有助于优化加速度计的灵敏度。图2显示了这些模拟和数字器件的框图。
　　
　　图2. ADXL356和ADXL357功能框图
　　来自传感器的信号进入滤波模块，然后由后续电路予以处理。滤波之后输出之前，还有一个缓冲器和一个32 kΩ电阻，在此可进行进一步的模拟滤波。数字器件有一个额外的可编程数字滤波器。低通滤波器的截止频率根据输出数据速率进行调整，还可以插入高通滤波器以实现带通功能。对于状态监控，振动频谱分析是主要工具，因此高带宽对捕获更多数量的谐波非常重要。传感器的机械谐振频率约为5.5 kHz，但频率响应主要由截止频率为1.5 kHz的抗混叠滤波器决定。最后，为了提供所需的分辨率，使用20位∑-∆转换器来执行模数转换。由于有这些特性，这些加速度计也可以用于记录地震事件。
　　如果要监测建筑物、桥梁、轨道、高压塔或基础设施的任何其他元件的结构健康状况，稳定性非常重要。这里要测量的是结构的漂移，不应将其与测量器件的漂移混淆。
　　传感器的长期稳定性与机械应力有关。在焊接阶段遭受的任何机械应力都可能导致电气失调。应力可能会随时间而变化，造成失调漂移。这可能被误解为倾斜度或其他结构参数的变化。为了避免这个问题，需要特别注意芯片贴装操作。
　　封装选择也很重要。这些加速度计采用鲁棒的14引脚LCC陶瓷封装，对机械应力的防护能力远远优于消费电子应用广泛使用的塑料封装。陶瓷封装还能保证高度密封性，防止水分和颗粒进入，从而有助于提高长期稳定性。
　　在正常工作期间，器件可能会受到各种环境条件的影响，特别是温度和湿度可能影响其性能。对于湿度，传感器的密封封装（14引脚LCC就是如此）可确保器件即使在最恶劣的条件下也能稳定运行。工作温度范围为–40°C至+125°C，这意味着哪怕在极端温度下，器件也能很好地工作。此外应特别注意使失调漂移最小化，这是最关键的参数。在所有三个轴上，低g加速度计ADXL354/ADXL355的最大漂移为±0.15 mg/°C，高g加速度计 ADXL356/ADXL357的最大漂移为±0.75 mg/°C。另外，这些加速度计配备有集成温度传感器，可用于漂移的热补偿。