市場上出現了許多高度集成且易于部署的狀態監測產品，這些產品采用微機電系統（MEMS）加速度計作為核心傳感器。這些經濟型產品有助于降低部署和擁有的總體成本，并在此過程中擴大可從狀態監測計劃中受益的設施和設備范圍。

與傳統的機械傳感器相比，固態MEMS加速度計具有許多吸引人的屬性，但不幸的是，它們在狀態監測中的使用僅限于可以容忍使用較低帶寬傳感器的產品的應用，例如低成本、基于標準的智能傳感器。一般來說，噪聲性能不夠低，無法滿足在較高頻率范圍內要求較低噪聲和超過10 kHz帶寬的診斷應用。目前市面上市面上的低噪聲MEMS加速度計的噪聲密度水平從10 μg/√Hz到100 μg/√Hz不等，但帶寬限制在幾kHz。這并沒有阻止狀態監測產品設計人員使用噪聲性能在他們的新產品概念中足夠好的MEMS，這是有充分理由的。作為一種基于固態電子器件和內置半導體制造設施的技術，MEMS為狀態監測產品的設計人員提供了幾個引人注目的寶貴優勢。撇開性能因素不談，以下是狀態監測領域任何人都應該對MEMS加速度計感興趣的主要原因。

圖1.慣性MEMS加速度計的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。多晶硅手指懸掛在減壓腔中，以便通過相鄰的信號調理電子設備測量與加速度成比例的運動和電容。

讓我們從尺寸和重量開始。對于機載應用，例如健康和使用監測系統（HUMS），重量非常昂貴，每磅燃料成本高達數千美元。由于通常在平臺上部署多個傳感器，如果可以減輕每個傳感器的重量，則可以減輕重量。如今，采用表面貼裝封裝的高性能三軸MEMS器件，尺寸小于6 mm×6 mm，重量不到一克。許多MEMS產品的這種小尺寸和高度集成特性也使設計人員能夠縮小最終封裝的尺寸，從而減輕重量。典型MEMS器件的接口為單電源，使其更易于
管理，并且更容易用于數字接口，從而有助于節省電纜的成本和重量。

固態電子設備也會影響傳感器的尺寸。更小的三軸安裝在印刷電路板 （PCB） 上并插入適合在機器上安裝和布線的密封外殼中，有助于實現更小的整體封裝，在平臺上提供更大的安裝和放置靈活性。此外，當今的MEMS器件可以包括大量集成的單電壓信號調理電子器件，提供功耗極低的模擬或數字接口，以幫助實現電池供電的無線產品。例如，高分辨率、高穩定性三軸加速度計ADXL355集成Σ-Δ模數轉換器（ADC），有效分辨率為18位，輸出數據速率為4 kSPS，每軸功耗低于65 μA。

具有模擬和數字輸出變化的MEMS信號調理電路的拓撲結構很常見，為傳感器設計人員提供了使傳感器適應更多情況的選擇，從而能夠過渡到工業環境中常見的數字接口。例如，RS-485收發器芯片廣泛可用，開放市場協議（如Modbus RTU）可用于加載到相鄰微控制器中。完整的變送器解決方案可以使用小尺寸表面貼裝芯片進行設計和布局，這些芯片可以安裝在相對較小的PCB區域內，然后可以將其插入到可以支持需要密封或本質安全特性的環境魯棒性認證的封裝中。

MEMS也被證明對環境變化非常魯棒。當今一代設備的沖擊規格規定為10，000 g，但實際上可以承受更高的水平，而不會影響靈敏度規格。靈敏度可以在自動測試設備（ATE）上調整，并設計和構造為在一段時間內穩定，溫度高達0.01°C，適用于高分辨率傳感器。在?40°C至+125°C等寬溫度范圍內，可以保證整體工作，包括失調偏移規格。 對于所有通道都在同一基板上的單片三軸傳感器，通常指定1%的交叉軸靈敏度。最后，作為設計用于測量重力矢量的器件，MEMS加速度計具有直流響應，可將輸出噪聲密度保持在接近直流，僅受電子信號調理的1/f轉折限制，并且通過精心設計，可以最小化到0.01 Hz。

也許基于MEMS的傳感器的最大優勢之一是能夠擴大制造規模。自1990年以來，MEMS供應商一直在為手機、平板電腦和汽車應用出貨。這種存在于MEMS傳感器和信號調理電路芯片的半導體制造設施中的制造能力也可用于工業和航空應用，有助于降低總體成本。此外，在過去的25年中，超過<>億個傳感器被運往汽車應用，MEMS慣性傳感器的可靠性和質量已被證明非常高。MEMS傳感器使復雜的碰撞安全系統成為可能，該系統可以從任何方向檢測碰撞，并適當地激活安全帶張緊器和安全氣囊以保護乘員。陀螺儀和高穩定性加速度計也是車輛安全控制的關鍵傳感器。當今的汽車系統廣泛使用MEMS慣性傳感器，以低成本和出色的可靠性實現更安全、更好的汽車操控。

目前，人們對許多應用的MEMS技術產生了極大的興趣和投資。除了MEMS的許多吸引人的質量外，MEMS慣性傳感器還有助于緩解困擾其他材料和架構的許多質量問題。MEMS慣性傳感器在要求苛刻的消費、航空和汽車應用中已使用超過25年，并經受了高沖擊和苛刻的環境。MEMS是否應該進一步滲透到要求更高性能的應用，如狀態監測？完全可以預期MEMS的性能將繼續大幅提高，為狀態監測設備設計人員提供更多選擇，并實現新一代智能傳感器、無線傳感器和低成本垂直集成系統。請繼續關注在不久的將來有關此主題的更多信息。

審核編輯：郭婷