MEMS

作者:ADI公司产品营销工程师Max Liberman和业务开发经理Bob Scannell

在工业制造运营中,被动的设备维修是造成生产能力丧失的一个主要因素,这种维修本来是可以避免的。平均售价仅几美元的零部件,一旦发生故障,维修成本和由此导致的收入损失可能是其售价的好多倍。在最不利的情况下,未检测到的故障可能在系统中引起连锁反应,导致大面积损坏,触发生产停运,造成惨痛损失。传统上,制造商借助预防措施来保持生产现场正常运转。

相比事后维修,预防维护是一大进步,但与其相关的服务合同成本高昂,而且其确保设备连续正常运行的能力也是有限的。考虑让一台200英尺风力涡轮机的叶片转动的转子轴承。紧急维修和现场维护的成本会非常高,甚至可能有危险,因为技术人员需要在高空作业。另外,如果该涡轮机接入到本地市政电网,计划之外的停机可能引起能源生产损失,甚至电力服务中断。

一种新的工业检测技术正在帮助制造商们优化设备,它通过预测维护手段来预料零部件故障。虽然工业检测的形式有很多,但振动检测可能是最有效且最经济的。根据Lindsay Engineering(一家位于美国加州卡马里奥的预测维护产品和服务提供商)的研究,振动检测的投资回报是定期更换齿轮或电机油等措施的投资回报的三倍(参见图1)。

旋转机械的典型振动频率范围是6 KHz到10 KHz

图1. 旋转机械的典型振动频率范围是6 KHz到10 KHz

振动分析的优势

振动分析常用于旋转机械中,用以检测可能引起振动变化的轴承松动或磨损、设备未对准、液位偏低等。通常,这种振动的频率介于6 kHz到10 kHz。在更高频率也有一些数据可用,但受限于响应幅度而非常难以测量,并且需要超声等成本高昂的技术。通过测量该频率范围并监控响应的变化,制造商可以安排维护时间,或者在零部件损坏达到一定程度之前的最有利时间关停设备,防止损失引起更大的次生系统故障。

另外还可以利用各种统计公式来预测系统寿命,例如平均无故障时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)。利用这些公式和来自系统的原始数据,客户便可直接处理潜在问题。例如,通过MTTF,您发现某种轴承的失效率较高。您可以利用振动传感器来密切监视该特定机器和轴承,确保失效不会发生。

实现工业振动检测的最常见方式有两种:一是用传感器系统改造现有设备;二是与第三方服务商签约,按照计划定期执行设备测试。后一种方案的成本可能很高,而且定期检查的效果比不上直接将传感器安装在设备上。利用系统安装方法,制造商可以实现连续监控,但也存在传统上的限制。

当今大部分振动传感器的典型工作带宽低于5 kHz,比检测大多数设备故障所需的频率要低一大截。另外,常规传感器大多基于高压压电技术,需要体积很大的金属罐封装,而且要求频繁校准,不太容易大批量生产。还有一个问题是,其集成度通常较低,需要经过大量外部调理和处理才能提取有用信息。

MEMS方法

业界越来越需要其它能够更早检测到预测维护征兆且成本更低的方法,因此,基于微机电系统(MEMS)的振动传感器正在成为替代常规检测的重要方法。更重要的是,任何替代方案都必须以更高和更宽的频率范围工作,这是早期检测的关健。ADI公司提供一系列宽带宽MEMS传感器(ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227),其具有22 kHz谐振带宽和高采样速率,是机器健康检测应用的理想选择。利用这些传感器,系统操作员可以及早发现要失效的设备,避免遭受重大损失。

振动监控错综复杂,准确捕捉振动剖面并正确解读数据更是需要高度复杂的专业知识。对于许多希望实施振动监控的厂商,最佳解决方案远不限于传感器元件。复杂性的很大一部分在于数据分析,对设备的典型时基分析会产生一个包含多种误差源的复杂波形,只有经过FFT分析之后才能获得可以分辨的信息。

多数压电传感器解决方案依赖外部FFT计算和分析。这种方法不仅使得实时通知毫无可能,而且大大增加了设备开发商的设计工作量。像ADI公司的ADIS16227等专业化MEMS传感器降低了这种复杂性,其提供嵌入式频域处理和512点实值FFT,片上存储器能够识别各种振动源并进行归类,监控其随时间的变化情况,并根据可编程的阈值做出反应。

该器件还具有可配置的报警频段和窗选项,支持对全频谱进行分析,并配置6个频段、报警1(警告阈值)和报警2(故障阈值),以便能够更早、更精准地发现问题。

为了确保准确捕捉数据,人们强烈要求实现嵌入式和自主检测。集成度合适的话(即集成传感器分析、存储器和报警功能),传感器系统可以嵌入到离潜在误差源更近的地方,从而更准确地反映机器振动情况,并显著降低接口复杂度,如线缆连接、场外分析和数据捕捉计划等。ADIS16227等器件是完整的数据转换和传感器处理解决方案,用户可通过串行外设接口(SPI)获得经处理的宽带宽传感器数据。这些器件可实现连续监控,并在达到用户设置的报警阈值时提供中断驱动的通知。如果关心功耗,它们还能按照用户制定的计划定期唤醒和记录。

诸如ADI公司的ADIS16227等MEMS传感器可以在高达22 kHz的频率检测零部件故障,从而提供关于设备故障的早期预警

图2. 诸如ADI公司的ADIS16227等MEMS传感器可以在高达22 kHz的频率检测零部件故障,从而提供关于设备故障的早期预警

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Mark Looney 应用工程师 ADI公司

摘要

当MEMS惯性测量单元(IMU)用作运动控制系统中的反馈传感器时,必须了解陀螺仪的噪声情况,因为它会在所监视的平台上造成不必要的物理运动。根据具体情况,针对特定MEMS IMU进行早期应用目标噪声估算时需要考虑多个潜在的误差源。在此过程中需要考虑的三个常见陀螺仪特性为其固有噪声、线性振动响应和对准误差。图1的简单模型显示了会影响各误差源评估的几个特性:噪声源、传感器响应和滤波。此模型给出了对这些特性进行频谱分析所需的基准。

陀螺仪噪声源和信号链

图1.陀螺仪噪声源和信号链

传感器固有噪声

传感器固有噪声代表的是陀螺仪在静态惯性和环境条件下运行时其输出中的随机振动。MEMS IMU数据手册通常会提供速率噪声密度(RND)参数来描述陀螺仪相对于频率的固有噪声。此参数通常使用单位°/s/√Hz,是预测特定滤波器配置固有噪声的关键。公式1给出了一种简单方法来估算与特定频率响应(噪声带宽)和RND相关的噪声。

当RND的频率响应遵循单极点或双极点低通滤波器曲线时,噪声带宽(fNBW)和滤波器截止频率(fC)将有公式2和公式3的关系。

除了RND参数外,MEMS IMU数据手册有时会使用输出噪声等参数指定特定滤波器配置的陀螺仪固有噪声。输出噪声通常使用角速率标准单位(°/s),并使用均方根(rms)等统计术语来描述总噪声幅度。

线性振动

由于陀螺仪用于测量旋转角速率,因此其对线性运动的响应会引入测量误差。MEMS IMU数据手册通常通过“线性加速度对偏置的影响”或“线性加速度”等参数来描述对线性运动的这一响应,这些参数通常使用单位°/s/g。线性振动是一种重复的惯性运动,其幅度大小可通过位移(m)、线性速度(m/s)或线性加速度(m/s2或g)表示。在特定的振动频率(fLV)下,位移(|dLV|)、速度(|vLV|)和加速度(|aLV|)之间的幅度关系如公式4所示。

当振动幅度以加速度(grms)表示时,与线性加速度参数相乘可估算陀螺仪测量中产生的噪声。例如,当ADIS16488A承受5 g (rms)的振动时,由于线性加速度等于0.009°/s/g,因此其陀螺仪中的噪声估算值将为0.045°/s (rms)。

如图1所示,陀螺仪信号链常常包括滤波器,这有助于减少线性振动引起的噪声。以频谱项(幅度、频率)定义振动可在估算噪声贡献时考虑滤波器的影响。加速度频谱密度(ASD)函数是以频谱项表达振动的常见方式,通常使用单位g2/Hz。下面通过示例说明已知ASD和陀螺仪频率响应(HG)时估算噪声幅度的步骤:

1. ASD函数乘以陀螺仪频率响应的平方值:

2. 利用帕塞瓦尔定理,通过在目标频率范围内对ASDF进行积分来计算“滤波振动曲线”中的平均功率。

3. 求取噪声功率估算值的平方根,然后与线性加速度系数(HLG)相乘即可计算出陀螺仪噪声幅度。

对准误差

运动控制系统通常会建立惯性参考系,其中包含三个相互垂直90°的轴。这三个轴为MEMS IMU中的各个传感器提供方位参考。理想情况下,陀螺仪的各个旋转轴将与系统参考系中的轴完全对齐,将IMU安装到平台上之后,其将监视运行情况。这种情况下,在惯性参考系中围绕其中一个轴旋转,只有该轴的陀螺仪会生成响应。实际操作中,无法实现这种效果,因为机械缺陷必定会造成一些对齐误差,从而导致离轴陀螺仪响应惯性参考系中围绕一个轴的旋转运动。量化此响应需要一些三角恒等式,并谨慎定义陀螺仪的对齐误差。

每个陀螺仪的对齐误差均具有两个分量,分别定义其相对于惯性参考系中另一个轴的对齐误差。例如,对于图2中的系统,θXZ代表x轴陀螺仪相对于z轴的对齐误差。此对齐误差定义有助于建立公式以计算离轴陀螺仪对系统惯性参考系中围绕另一个轴旋转运动的响应。公式9中给出了一个示例,其量化了x轴陀螺仪相对于z轴的对齐误差(θXZ)和围绕z轴旋转(ωZR)而产生的响应(ωGX)。

三轴式陀螺仪对齐误差

图2.三轴式陀螺仪对齐误差

MEMS IMU通常具有两种类型的对齐误差,它们相互关联,但在系统级建模中具有不同应用:轴到封装和轴到轴。“轴到封装对齐误差”描述陀螺仪相对于器件封装上特定机械特性的对齐情况。将IMU安装到系统后,如果系统无法支持惯性对齐,则轴到封装对齐误差将成为整体对齐误差的主要因素之一。系统与IMU的机械接口的机械缺陷也会增加整体对齐误差。“轴到轴对齐误差”描述各个陀螺仪旋转轴相对于其他两个陀螺仪的相对对齐精度。在系统可以实现简单的对齐过程时,此参数影响最大,此时通常沿系统的惯性参考系中的一个轴直线移动整个组件(IMU已安装在系统平台上),同时需要观察传感器。如果对齐误差不是IMU规格的一部分,则通过评估器件封装中主要机械特性的物理容差就可以估算这些误差。例如,以下情况会引入0.5°的对齐误差:

X 4 mm × 4 mm LGA封装上的焊接回流工艺具有35 μm的安装误差
X PCB上相距20 mm的两个安装孔之间具有0.175 mm的容差

案例研究

为了说明这些原理,请看以下示例,其中估算ADIS16488A中的陀螺仪噪声,该器件用于在以下配置/条件下运行的新型航电系统:

X 陀螺仪可用全带宽
X 振动(ASD(f)):0.122 g2
/Hz;10 Hz到2000 Hz (总振动= 5 grms)

X 最大旋转速率 = ±100°/s,频率范围 = 5 Hz到50 Hz全带宽配置匹配与ADIS16488A针对固有传感器噪声的0.135°/s(rms)的输出噪声规格相关的条件。对于振动贡献,图3给出了曲线说明ASD(f)以及滤波曲线ASDF (f)。ASDF (f)中的频率响应反映了与此IMU陀螺仪信号路径中双极点(404 Hz,757 Hz)低通滤波器相关的衰减曲线。

振动频谱分析

图3.振动频谱分析

公式10通过线性加速度参数乘以ASDF (f)曲线幅值2.24 g rms,可估算产生的噪声电平为0.02°/s (rms)。此噪声电平比通过公式5得到的0.045°/s (rms)低55%,公式5的方法未采用频谱项评估此噪声源。这种改善是采用频谱项定义振动曲线以获取值的一个示例。

通过公式11可计算50 Hz频率下围绕z轴进行±100°/s旋转振荡时的x轴陀螺仪噪声。由于50 Hz恰好位于双极点滤波器的通带中,因此滤波器无法抑制此噪声源。此计算假设ADIS16488A的轴到轴对齐误差是主要误差源(也就是说,将IMU安装到系统后,全面部署时将包括简单的惯性参考系对齐过程)。

表1总结了ADIS16488A中来自各个因素的陀螺仪噪声。公式12给出了0.15°/s (rms)的整体噪声估算值(ωNOISE),表示表1中所有三个噪声源的平方和根值(RSS)。

表1.噪声贡献总结

结论

这些方法利用相应数据手册中的常用参数信息以及对惯性条件的初步见解或估算,给出了评估MEMS陀螺仪信号中常见噪声源的简单流程。了解和评估这些噪声源有助于确定重要的应用信息,指导IMU选择流程,还可以发掘改善机会(简单对齐,当IMU支持相应的轴到轴对齐误差级别时)以使用更经济的解决方案,反之则无法实现这种优势。

致谢

作者在此衷心感谢Randy Carver、Glenn Romano、Paul Perrault和Dave LoCascio为本文内容及审核提供的帮助。

作者简介

Mark Looney是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的iSensor®应用工程师。自1998年加入ADI公司以来,他在传感器信号处理、高速模数转换器和DC-DC电源转换领域积累了丰富的工作经验。他拥有内华达州大学雷诺分校电气工程专业学士(1994年)和硕士(1995年)学位,曾发表过数篇文章。加入ADI公司之前,他曾协助创立汽车电子和交通解决方案公司IMATS,还担任过Interpoint公司的设计工程师。联系方式: mark.looney@analog.com

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摘要

MEMS陀螺仪提供了一种简单的旋转角速率测量方法,其所在的封装很容易安装到印刷电路板上。因此,在许多不同类型的运动控制系统中,它们都是反馈检测元件的常见选择。在此类应用中,角速率信号(MEMS陀螺仪输出)中的噪声会直接影响系统的关键特性(如平台稳定性),且常常是控制系统能够支持的精度水平的决定性因素。所以,当系统架构师和开发者定义和开发新的运动控制系统时,低噪声是一个很自然的价值导向。更进一步,把关键的系统级标准(如指向精度)转化为噪声指标(MEMS陀螺仪数据手册常常会提 供这些指标),是早期概念和架构设计工作的一个极重要的部分。了解系统对陀螺仪噪声特性的依赖性会产生多方面好 处,例如能够确定反馈检测元件的相关要求,或者相反,分析系统对特定陀螺仪中噪声的响应。一旦系统设计者充分了 解这种关系,它们便能从两个重要方面来掌控角速率反馈环路中的噪声影响:1. 制定最合适的MEMS陀螺仪选择标准;2. 在传感器的集成过程中保持其噪声性能不变。

运动控制基础

为了弄清MEMS陀螺仪噪声特性与其对系统关键特性的影响之间的关系,第一步常常是要对系统工作原理有一个基本了解。图1是一个运动控制系统架构示例,其中关键的系统元素被拆分为多个功能模块。此类系统的功能目标是为对惯性运动敏感的人员或设备创建一个稳定的平台。应用实例之一是用于自主驾驶车辆平台上的微波天线,车辆在恶劣的条件下机动行驶,车速可能会引起车辆方向突然变化。若不能实时控制指向角度,当发生此类惯性运动时,这些高指向性天线可能无法支持连续通信。

运动控制系统架构示例

图1. 运动控制系统架构示例。

反馈环路图1. 运动控制系统架构示例。从MEMS陀螺仪开始,其在稳定平台上观测旋转速率 (φG)。陀螺仪的角速率信号馈入专用数字信号处理部分,其包括滤波、校准、对齐和积分,以产生实时方向反馈 (φE)。伺服电机的控制信号 (φCOR) 来自此反馈信号与指示方向 (φCMD) 的比较,而指示方向可来自一个中央任务处理系统,或者代表一个支持平台上的设备以理想方式运行的方向。

应用示例

图1显示了运动控制系统的架构视图,分析应用特定的物理性质也能得出有价值的定义和见解。考虑图2中的系统,它是生产线自动检查系统的概念视图。该摄像头系统检查输送带上移入移出其视场的物件。在这种配置中,摄像头通过一根长支架固定于天花板;针对摄像头要检查的对象大小,摄像头通过支架所决定的高度(参见图2中的D)来优化其视场。工厂中全是各种机器和其他作业,因此,摄像头会不时地发生 摆动(参见图2中的φSW(t)),这可能引起检查图像的失真。图中的红色虚线是此摆动引起的总角向误差 (±φSW) 的夸大视图,绿色虚线表示能够支持系统图像质量目标的角向误差水平 (±φRE)。图2中的视图利用检查表面上的线性位移误差(dSW、dRE)定义系统级关键指标(图像失真)。这些性质与摄像头高度 (D) 和角向误差项(ϕSW、φRE)之间有着简单的三 角函数关系,如公式1所示。

工业摄像头检查系统

图2. 工业摄像头检查系统。

对于此类系统,最适合的运动控制技术是所谓图像稳定化技术。早期图像稳定系统使用基于陀螺仪的反馈系统来驱动伺服电机,进而调整图像传感器在快门开启期间的方向。MEMS技术的出现掀起了一场革命,帮助降低了这些功能的尺寸、成本和功耗,导致该技术广泛用于当今的数字摄像头。得益于数字图像处理技术(其算法中仍然使用基于MEMS的角速率测量)的进步,许多应用已不再使用伺服电 机。无论图像稳定是由伺服电机实现,还是通过对图像文件的数字后处理实现,陀螺仪的基本功能(反馈检测)依然未 变,其噪声影响也仍然存在。为简明起见,本讨论将聚焦于经典方法(图像传感器上的伺服电机)来考察相关度最高的 噪声基本原理,以及它们与此类应用最重要的物理性质之间的关系。

角向随机游动 (ARW)

所有MEMS陀螺仪的角速率测量中都有噪声。这一传感器固有噪声代表的是陀螺仪在静态惯性(无转动)和环境条件(无振动、冲击等)下运行时其输出中的随机振动。MEMS 陀螺仪数据手册中用来描述噪声特性的最常见指标是速率噪声密度 (RND) 和角向随机游动 (ARW) 。RND参数通常 以°/sec/ Hz为单位,根据该参数和陀螺仪的频率响应,可以简单地预测角速率方面的总噪声。ARW参数通常以°/ hr(小 时)为单位,当分析特定期间内噪声对角度估计的影响时,该参数常常更有用。公式2是根据角速率测量来估计角度的一 般公式。此外,它还提供了一个将RND参数与ARW参数关联起来的简单公式。此关系式与IEEE-STD-952-1997(附录C) 中的关系式相比有很小的改动(前者是单边FFT,后者是双边FFT)。

图3是一个图形参考,有助于我们进一步讨论ARW参数代表 的特性。图中的绿色虚线代表陀螺仪RND为0.004°/sec/ Hz时的ARW特性,相当于0.17°/ hr的ARW。实线代表此陀螺仪输出在25 ms周期内的六个独立积分。角向误差相对于时间的随机性表明,ARW的主要作用是估计特定积分时间内的角向误差统计分布。另请注意,此类响应假设利用高通滤波来消除积分过程中的偏置误差。

角向随机游动 (ADIS16460)

图3. 角向随机游动 (ADIS16460)。

回过头看图2中的应用示例,将公式1和公式2结合便可把重要标准(检查表面上的物理失真)与MEMS陀螺仪数据手册通常会提供的噪声性能指标(RND、ARW)关联起来。在此过程中,假设公式1中的积分时间 (τ) 等于图像捕捉时间可提供进一步且很有用的简化。公式3利用公式1中的一般关系来估 计,当摄像头距检查表面1米 (D) 且最大容许失真误差为10μm (dRE) 时,陀螺仪的角向误差 (φRE) 必须小于0.00057°。

公式4将公式3的结果和公式2中的一般关系相结合,用来预测特定情况下对MEMS陀螺仪的ARW和RND要求。该过程假设图像捕捉时间35 ms等于公式2中的积分时间 (τ),因而可以预 测,为了达到要求,陀螺仪的ARW需要小于0.18°/ hr,或者RND必须小于0.0043°/sec/ Hz。当然,这可能不是这些参数支持的唯一要求,但这些简单的关系提供了一个例子,告诉我们如何将其与已知要求和条件联系起来。

角速率噪声与带宽

提供连续指向控制的系统开发者可能更愿意从角速率方面来评估噪声影响,因为他们可能没有固定的积分时间来利用基于ARW的关系。从角速率方面评估噪声常常要考虑RND参数和陀螺仪信号链的频率响应。对陀螺仪频率响应影响最大的常常是滤波,其支持环路稳定标准的专用要求,并能抑制对 环境威胁(如振动)的不相干传感器响应。公式5给出了一种简单方法来估算与特定频率响应(噪声带宽)和RND相关的 噪声。

当RND的频率响应遵循单极点或双极点低通滤波器曲线时, 噪声带宽 (fNBW) 和滤波器截止频率 (fC) 将有公式6的关系。

例如,对于RND为0.004°/sec/ Hz的ADXRS290,图4提供了其噪声的两条不同频谱曲线。图中的黑色曲线代表使用双极点低通滤波器(截止频率为200 Hz)时的噪声响应,蓝色曲 线代表使用单极点低通滤波器(截止频率为20 Hz)时的噪声响应。公式7计算了各滤波器的总噪声。同预期一致,200 Hz 版本的噪声高于20 Hz版本。

 使用滤波器时的ADXRS290噪声密度

图4. 使用滤波器时的ADXRS290噪声密度。

若系统需要定制滤波,其频率响应 (HDF(f)) 不符合公式6和7中的简单单极点和双极点模型,则可利用公式8提供的更一般关系来预测总噪声:

除了会影响总角速率噪声以外,陀螺仪滤波器还向总环路响应贡献相位延迟,这会直接影响反馈控制系统的另一重要品质因素:单位增益交越频率时的相位裕量。公式9用于估计单位增益交越频率 (fG) 时单极点滤波器(fC = 截止频率)对控制环路频率响应产生的相位延迟 (θ)。公式9中的两个例子分别是截止频率为200 Hz和60 Hz的两个滤波器在20 Hz单位增益交越频率时的相位延迟。这对相位裕量的影响可能导致要求陀螺仪带宽比单位增益交越频率大10倍,因而会更偏向于选择RND较佳的MEMS陀螺仪。

现代控制系统常常使用数字滤波器,可能使用不同的模型来预测其在控制环路关键频率时的相位延迟。例如,公式10用于预测一个16抽头FIR滤波器 (NTAP) 的相位延迟 (θ),其以 4250 SPS (fS) 的更新速率( ADXRS290 )运行,单位增益交越频率 (fG) 同样是20 Hz。此类关系有助于确定一个系统架构对此类滤波器结构容许的总抽头数。

结论

根本问题是角速率反馈环路中的噪声可能直接影响运动控制系统的关键性能标准,因此,在设计新系统的过程中,应当尽早予以考虑。相比于仅知道需要低噪声的人,能够量化角速率噪声对系统特性影响的人将拥有明显的优势。他们将能确定性能目标,在应用中产生可观测的值;当其他项目目标 支持考虑特定MEMS陀螺仪时,他们将能有效地量化其对系统的影响后果。一旦有了这种基本理解,系统设计师便可专 注于确定能够满足性能要求的MEMS陀螺仪,利用带宽、速率噪声密度或角向随机游动来指导其考虑。当他们期望优化 所选传感器的噪声性能时,可以利用其与带宽(角速率噪声)和积分时间(角误差)的关系来推动界定其他重要的系 统级特性,从而支持对应用最合适的性能。

作者:Mark Looney

Mark Looney是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的MEMS和传感器产品线应用工程师。自1998年加入ADI公司以来,他在传感器信号处理、高速模数转换器和DC-DC电源转换领域积累了丰富的工作经验。他拥有内华达州大学雷诺分校电子工程专业学士和硕士学位,曾发表过数篇有关在工业应用中运用MEMS技术的文章。

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解决大问题需要开创性的技术。机电继电器早在电报问世之初就已存在,但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。

作为不断增长的市场需求的一个例子,测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案的尺寸尽可能最小,在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现最高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大,因此对系统设计人员的限制日益增大。

微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性,可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备,ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关,此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。

MEMS开关技术

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念。可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器,其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。

图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。这一开关设计用于ADGM1304单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的ADGM1004SP4T开关。

特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁

图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁

ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC),以产生驱动开关所需 的高直流电压,保证快速可靠的驱动和长使用寿命,并使器件易 于使用。

图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起的驱动器功耗非常低——典型值为10 mW,比RF继电器的典型驱动器要求低10倍。

ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关

图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关

集成ESD保护

借助ADGM1304 MEMS开关产品,ADI开发了ADGM1004 MEMS开关,通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术,可实现非常高的ESD保护 同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中,芯片安放在MEMS芯片上,通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

图3. ADGM1004驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右),带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。

为了实现ADGM1004产品,ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合,以实现这一性能突破。

RF和0 Hz/DC性能

MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性和宽带RF性能。图4显示了ADGM1004单刀四掷 (SP4T) MEMS开关的实测插入损耗和关断隔离性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB,在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm(无压缩),三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm(典型值),频率极低时无性能降低。

ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度<10 MHz

图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1列出了这些重要规格。

表1. ADGM1004精度规格I

表1列出了HBM ESD额定值,RF端口的额定值为5 kV HBM,相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。

表2. ADGM1004精度规格II

无论什么市场,小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物 照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸,ADGM100体积缩小了高达95%。

图5. ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较。

最后,为了帮助系统设计人员,我们对ADGM1004开关的热切换寿命(进行RF功率传输时对通道进行切换)进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果,请参见ADGM1004数据手册。

图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。

具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性,同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的世界顶级的带宽性能,相比RF继电器,MEMS开关的体积缩小多达95%,可靠性提升10倍,速度提升30倍,功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS开关为ADI公司性能优异的开关产品阵营又添异彩。

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作者:Eric Carty、Padraig Fitzgerald和Padraig McDaid ADI公司

简介

过去30年来,MEMS开关一直被标榜为性能有限的机电继电器的出色替代器件,因为它易于使用,尺寸很小,能够以极小的损耗可靠地传送0 Hz/dc至数百GHz信号,有望彻底改变电子系统的实现方式。这种性能优势会对大量不同的设备和应用产生重要影响。在MEMS开关技术的帮助下,很多领域都将达到前所未有的性能水准和尺寸规格,包括电气测试与测量系统、防务系统应用、医疗保健设备。

图1. ADI MEMS开关技术

目前的开关技术都或多或少存在缺点,没有一种技术是理想解决方案。继电器的缺点包括带宽较窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大。与继电器相比,MEMS技术一直就有实现最高水平RF开关性能的潜力,其可靠性要高出好几个数量级,而且尺寸很小。但是,难以通过大规模生产来大批量提供可靠产品的挑战,让许多试图开发MEMS开关技术的公司停滞不前。Foxboro Company是最早开始MEMS开关研究的公司之一,其于1984年申请了世界最早的机电开关专利之一。

ADI公司自1990年开始通过一些学术项目涉足MEMS开关技术研究。到1998年,ADI公司终于开发出一种MEMS开关设计,并根据该设计制作了一些早期原型产品。2011年,ADI公司大幅增加了MEMS开关项目投入,从而推动了自有先进MEMS开关制造设施的建设。现在,ADI公司已能够满足业界一直以来的需求:量产、可靠、高性能、小尺寸的MEMS开关取代衰老的继电器技术。

ADI公司与MEMS技术有着深厚的历史渊源。世界上第一款成功开发、制造并商用的MEMS加速度计是ADI公司于1991年发布的ADXL50加速度计。ADI公司于2002年发布第一款集成式MEMS陀螺仪ADXRS150。以此为开端,ADI公司建立了庞大的MEMS产品业务和无可匹敌的高可靠性、高性能MEMS产品制造商声誉。ADI公司已为汽车、工业和消费电子应用交付了逾10亿只惯性传感器。正是这种优良传统所带来的经验和信念将MEMS开关技术变为现实。

详文请阅:ADI公司的革命性MEMS开关技术基本原理

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作者:Eric Carty和Padraig McDaid ADI公司

解决大问题需要开创性的技术。机电继电器早在电报问世之初就已存在,但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。作为不断增长的市场需求的一个例子,测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案的尺寸尽可能最小,在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现最高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大,因此对系统设计人员的限制日益增大。微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性,可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备,ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关,此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。

MEMS开关技术

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念。可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器,其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。这一开关设计用于ADGM1304单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的ADGM1004SP4T开关。

图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁。

ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC),以产生驱动开关所需的高直流电压,保证快速可靠的驱动和长使用寿命,并使器件易于使用。图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起的驱动器功耗非常低——典型值为10 mW,比RF继电器的典型驱动器要求低10倍。

图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关。

集成ESD保护

借助ADGM1304 MEMS开关产品,ADI开发了ADGM1004 MEMS开关,通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术,可实现非常高的ESD保护同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中,芯片安放在MEMS芯片上,通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

图3. ADGM1004驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右),带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。

为了实现ADGM1004产品,ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合,以实现这一性能突破。

RF和0 Hz/DC性能

MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性和宽带RF性能。图4显示了ADGM1004单刀四掷 (SP4T) MEMS开关的实测插入损耗和关断隔离性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB,在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm(无压缩),三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm(典型值),频率极低时无性能降低。

图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1列出了这些重要规格。

表1. ADGM1004精度规格I

表1列出了HBM ESD额定值,RF端口的额定值为5 kV HBM,相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。

表2. ADGM1004精度规格II

无论什么市场,小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸,ADGM100体积缩小了高达95%。

图5. ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较。

最后,为了帮助系统设计人员,我们对ADGM1004开关的热切换寿命(进行RF功率传输时对通道进行切换)进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果,请参见ADGM1004数据手册。

图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。

结语

具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性,同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的世界顶级的带宽性能,相比RF继电器,MEMS开关的体积缩小多达95%,可靠性提升10倍,速度提升30倍,功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS开关为ADI公司性能优异的开关产品阵营又添异彩。

作者简介

Eric Carty于1998年获得爱尔兰国立梅努斯大学实验物理硕士学位。加入ADI公司之前,他担任了10年的RF无源器件设计工程师。2009年,他成为ADI公司的高级应用工程师,主要从事RF开关和MEMS技术的研发工作。他目前负责管理ADI公司的开关与多路复用器应用部门。联系方式:
eric.carty@analog.com

Padraig McDaid 1998年毕业于爱尔兰利默里克大学,获得电子工程学士学位。Padraig负责管理ADI公司的开关与多路复用器市场营销部门,重点关注MEMS技术研发。2009年加入ADI公司之前,Padraig曾在多家跨国公司和中小型企业从事过RF设计、应用和营销工作。联系方式:
padraig.mcdaid@analog.com

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