物联网

Ed Spence ADI公司

市场上出现了很多采用微型机电系统(MEMS)加速度计作为核心传感器的高度集成和易于部署的状态监控产品。这些经济产品有助于减少总体部署和拥有成本,并且可在该过程中扩展受益于状态监控项目的通用设施和设备。

与传统机械式传感器相比,固态MEMS加速度计具有多种有吸引力的属性,但遗憾的是,它们在状态监控方面的用途受到限制,局限于对低成本标准智能传感器之类产品可使用较低带宽传感器的应用。一般来说,噪声性能不够低,诊断性应用要求高频率范围具有低噪声,带宽超过10 kHz。当前的低噪声MEMS加速度计,其噪声密度水平介于10 µg/√Hz和100 µg/√Hz之间,但带宽只有几kHz。这并没有妨碍状态监控产品设计师在新产品中使用噪音性能优良的MEMS。作为一项基于固态电子器件和内置半导体制造设施技术,MEMS向状态监控产品设计师提供了几个极具吸引力且有价值的优势。撇开性能因素,下面是状态监控领域的任何人都应对MEMS加速度计感兴趣的主要原因。

图1. 惯性MEMS加速度计的扫描电子显微镜(SEM)图像。多晶硅指悬浮在减压腔,从而可通过相邻信号调理电子器件测量与加速度成正比的运动和电容。

我们先从尺寸和重量开始。对于机载应用,例如健康和使用监控系统(HUMS),重量非常昂贵,每磅燃料花费数千美元。平台上通常部署多个传感器,如果可减少每个传感器的重量,则可做到节约重量。如今,一个具有小于6 mm × 6 mm表贴封装更高性能的三轴MEMS重量可以不到一克。很多MEMS产品的小尺寸和高度集成特性同样能使设计师缩小最终封装的尺寸,减轻重量。典型MEMS设备的接口是单电源,使其更易管理且更适合有助于节约成本和电缆重量的数字接口。

固态电子器件也会影响传感器的尺寸。在印刷电路板(PCB)上安装更小尺寸的三轴器件,并插入封闭外壳中,适合在机器上安装和布线,有助于实现更小的整体封装,能够在平台上灵活放置安装更多的器件。此外,如今的MEMS设备可包括大量集成、单电压信号调理电子器件,提供具有极低功耗的模拟和数字接口来帮助实现电池供电的无线产品。例如,高分辨率,高稳定性三轴加速度计ADXL355具有集成∑-Δ模数转换器(ADC),18位有效分辨率和4 kSPS输出数据速率,每轴功耗低于65 µA。

同时提供模拟、数字输出的MEMS信号调理电路拓扑结构很常见,因而传感器设计人员拥有更多选择,使传感器适应各种各样的情况,并且可以转换到工业设置中可用的数字接口。例如,RS-485收发器芯片使用广泛,并且遵守开放市场协议,如Modbus RTU,可加载到相邻微控制器中。完整的发射器解决方案可采用小尺寸表贴芯片设计和布局,适用于小型PCB区域,可插入支持环境鲁棒性认证所需密封性或固有安全特性的封装。

事实证明,MEMS也能够很好地应对环境的变化。如今新一代设备的冲击规格已达到10,000 g,但是实际上它可承受更高水平的冲击,且不影响灵敏度规格。灵敏度可在自动测试设备(ATE)上调整,可针对高分辨率传感器随时间和0.01°C温度精度的稳定性设计和构建。可在40°C到+125°C的较宽温度范围内保证整体运行性能,包括失调偏移参数。对于所有通道都在同一基板上的单芯片三轴传感器,通常指定1%的跨轴灵敏度。最后,作为用于测量重力矢量的设备,MEMS加速度计提供直流响应,输出噪声密度保持在直流附近,仅受电子信号调理1/f转折频率限制,通过精心设计,可达到最低0.01 Hz。

或许基于MEMS传感器的最大优势之一是能够扩大生产规模。自1990年以来,MEMS供应商已向手机、平板电脑和汽车应用市场供应大量产品。MEMS传感器和信号调理电路芯片在半导体制造设备中的生产能力,也可用于工业和航空领域,有助于降低总体成本。此外,过去25年来,汽车应用领域已安装了超过十亿个传感器,事实证明,MEMS惯性传感器的可靠性和质量都很高。MEMS传感器具有复杂的防撞安全系统,可检测任意方向的撞击,并适时激活安全带收紧装置和安全气囊来保护乘客。陀螺仪和高稳定性加速度计也是车辆安全控制应用的关键传感器。如今的汽车系统广泛应用MEMS惯性传感器,以低成本和高度可靠性掌控汽车、保障安全。

目前,对于很多应用领域,MEMS技术都具有巨大的利益和投资潜力。MEMS除了拥有很多出众的品质外,MEMS惯性传感器也有助于减少很多影响其他材料和架构的质量问题。MEMS惯性传感器已经在要求严苛的消费电子、航空和汽车应用中使用了超过25年,经受过高冲击和严苛环境的考验。MEMS进一步深入要求严苛的高性能应用领域的时机是否成熟,例如状态监控?预计MEMS的性能将会持续大幅提升,为状态监控设备设计人员提供更多选项,进而实现新一代智能传感器、无线传感器以及低成本、垂直集成系统。敬请关注该主题未来发展的更多信息。

作者简介

Ed Spence是ADI公司工业传感器业务部营销经理,负责高性能加速度计。ADI公司设计和制造高性能惯性传感器(加速度计、陀螺仪),以及高度集成解决方案,例如惯性测量单元(IMU)。 www.analog.com/cn

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如何种植优质农作物?从优秀的技术开始。

ADI同Cornucopia Project 和ripe.io合作探索本地食物供应链,并通过此项工作向美国新罕布什尔州彼得堡市ConVal地区高中的学生以及当地农场主教授21世纪农业技能。

该计划教导学生农场主如何利用物联网和区块链技术跟踪“从农场到餐桌”中农产品的状况和移动,进而做出提高质量、产量和利润的决策。与Cornucopia Project合作,ADI公司和ripe.io提供资金支持和技术培训。

对于此项目——

ADI公司提供作物监测解决方案的原型制作版本,测量环境因素,从而帮助农场主针对作物的灌溉、施肥、病虫害治理和收割做出正确决策。利用这种传感器到云的物联网解决方案,农场主能够根据基于近实时监测的累计学习做出更好的决策。这些全天候测量结合近红外(NIR)小型化光谱仪,在农场环境中对食品质量进行无损分析,而这在以前是无法实现的。

ADI公司自动化、能源和传感器 副总裁Kevin Carlin

这个项目是由我们的“西红柿互联网”计划拓展而来,使农场主能够在整个种植周期中做出更好的决策,从而改善质量、经济和环境成果。我们的作物监测解决方案将为学生农场主和当地农场主提供准确可靠的信息,使其能够种出更健康、更新鲜、更美味的农产品。它展示了作物监测解决方案如何带来真正变革性地扩展物联网的价值和可能性。

Cornucopia Project是一家非营利性组织,总部位于美国新罕布什尔州彼得堡市,旨在为从小学到高中的学生提供园艺和农业课程。在其“农场到餐桌”课程中,学生农场主学习如何在温室中使用先进的传感器仪器来获取有价值的数据,评估西红柿的品质,并了解这些因素如何影响味道和质量。该课程还教育学生如何在整个农业供应链中跟踪作物,以改善食品质量、可持续性、可追溯性和营养。

Cornucopia Project执行总监 Karen Hatcher

ADI公司正在帮助我们探索技术进步如何支持当地食品系统。我们正在培训21世纪农业所需的新一代农场主,从而收获比以往更美味、更丰产、更可持续种植的西红柿。这一举措将有助于增强当地中小型农场及其支持社区的经济健康和活力。

ripe.io提供区块链技术以对整个生鲜农产品供应链进行建模,将作物生长数据、运输和储存状况整合为一体。区块链是一种分布式分类帐、一致预期数据技术,用于维持不断增长的记录列表。它将跟踪从种子到分销商和零售商,一直到消费者的整个作物生命周期,为农业供应链带来透明性和问责能力。

Raja Ramachandran——ripe.io首席执行官

该项目是区块链技术的首个实施示例之一,旨在建立一个开放透明、涉及农场主、供应商、分销商、零售商、食品服务机构和最终消费者的供应链。从这个计划中学到的知识不仅会改善当地农业社区的质量、经济和环境成果,而且可以推广到全国其他农场和作物种类。

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