01
工作原理
MEMS加速度傳感器
△ 某MEMS元器件及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意
MEMS加速度傳感器是指采用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，簡稱MEMS）技術(shù)制造的加速度傳感器。該技術(shù)將機(jī)械系統(tǒng)和電子電路使用硅半導(dǎo)體加工工藝集成在極小的尺寸內(nèi)，機(jī)械系統(tǒng)將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電子電路完成電信號(hào)的采集和處理，兩者形成一個(gè)協(xié)作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的智能檢測，分析等一些列復(fù)雜功能。
其主要工作原理是在傳感器內(nèi)部制備一塊微小的質(zhì)量塊，當(dāng)外部施加力時(shí)，根據(jù)慣性原理，質(zhì)量塊會(huì)因加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生微小的位移。MEMS加速度計(jì)通過檢測這個(gè)位移，就可以準(zhǔn)確地測量出加速度的大小和方向。
MEMS傳感器的各器件可以方便的焊接在PCB板①上，易于封裝及批量制造，部分MEMS傳感器可集成信號(hào)采集、處理等多個(gè)功能，所需的外部器件極少，在高集成度和低成本方面，為工程應(yīng)用提供了極大的便利。
壓電式加速度傳感器
△ 某壓電式傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意
壓電式加速度傳感器是指利用壓電效應(yīng)②測量加速度變化的一種加速度計(jì)。其工作原理是傳感器內(nèi)部安裝一壓電晶體③，晶體一端固支④，另一端固定一質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器受到外部力時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生位移，從而導(dǎo)致壓電晶體產(chǎn)生微小的形變，形變會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電荷重新分布，產(chǎn)生電信號(hào)。通過檢測電信號(hào)的幅值和極性，可以計(jì)算出加速度的大小和方向。
02
外形尺寸
MEMS的含義——微機(jī)電，特點(diǎn)是小型化、集成化、可批量制造。顧名思義，MEMS的元器件尺寸十分微小，特征結(jié)構(gòu)在微米尺度（約為1μm~100μm范圍，可類比一根頭發(fā)的直徑約為60~100μm），集成度極高，系統(tǒng)尺寸往往也在幾毫米甚至更小。常見的醫(yī)療電子、汽車電子、穿戴式智能設(shè)備等往往應(yīng)用MEMS元器件以提高整體設(shè)備的集成度。
△ 常見穿戴式設(shè)備：手環(huán)
壓電式元器件受限于工作原理，特征結(jié)構(gòu)尺寸往往是MEMS的10倍及以上。且壓電式元器件需配合外部器件來實(shí)現(xiàn)諸多預(yù)設(shè)功能，封裝后的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)MEMS會(huì)更加龐大。
尺寸上的差異使得MEMS傳感器相對(duì)常見的傳統(tǒng)壓電式傳感器靈敏度更高、功耗更低。尤其在無線便攜式傳感器領(lǐng)域，受限于電池供電，MEMS的結(jié)構(gòu)特性為縮小產(chǎn)品尺寸、延長使用壽命方面做出了出色的貢獻(xiàn)。
03
技術(shù)參數(shù)
振動(dòng)監(jiān)測是通過獲取并分析設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)來對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)的一種監(jiān)測手段。在采集設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，為保證數(shù)據(jù)采集的完整性及真實(shí)性，用戶往往關(guān)注振動(dòng)傳感器的以下技術(shù)參數(shù)：
（1）噪聲范圍
只要有電路的地方就存在噪聲，傳感器也不例外。一方面，傳感上電后，內(nèi)部器件和電路元件會(huì)產(chǎn)生熱噪聲、放大器噪聲、散粒噪聲等。另一方面，傳感器的輸出阻抗⑤會(huì)削弱其輸出信號(hào)，此時(shí)如果噪聲信號(hào)過大，傳感器的輸出信號(hào)就容易被其淹沒。
在旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的監(jiān)測過程中，針對(duì)一些精密故障，如軸承及齒輪缺陷等，往往要求傳感器的噪聲范圍必須控制在100μg/√Hz以內(nèi)才可以達(dá)到合格的數(shù)據(jù)采集要求。
有相關(guān)測試數(shù)據(jù)表明：MEMS加速度傳感器的噪聲范圍在25μg/√Hz~100μg/√Hz，壓電式加速度傳感器的噪聲范圍則在1μg/√Hz~50μg/√Hz。從上述數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，壓電式加速度傳感器的內(nèi)部噪聲范圍更低，這是其優(yōu)勢所在。
（2）頻響范圍及頻響上限
頻響范圍是指傳感器能夠有效感知的振動(dòng)頻率范圍，頻響上限是指傳感器能夠有效感知的最高振動(dòng)頻率。許多工業(yè)設(shè)備的常見故障，如軸承潤滑不良、磨損，齒輪磨損等，其特征頻率較高，可達(dá)3000-8000Hz，需要傳感器能有效感知高頻故障特征頻率才可以對(duì)其進(jìn)行覆蓋。在實(shí)踐中通常要求高頻加速度傳感器的頻響上限高于10kHz。
△ 某泵機(jī)軸承潤滑不良故障時(shí)的加速度頻譜圖
目前市場上的壓電式傳感器頻響范圍較廣，約為1Hz~30kHz，而常見的MEMS傳感器則約為0Hz~20kHz，兩者的頻響均可覆蓋旋轉(zhuǎn)類設(shè)備監(jiān)測需求。
（3）響應(yīng)類型
在介紹頻響范圍時(shí)，壓電式傳感器為何不是從0Hz，而是從1Hz開始？這就需要關(guān)注傳感器的響應(yīng)類型：交流響應(yīng)及直流響應(yīng)。
壓電傳感器是最常見的交流響應(yīng)加速度傳感器，其輸出是交流耦合⑥的。觸發(fā)信號(hào)的直流分量被隔斷，如果觸發(fā)信號(hào)的頻率小于10Hz，會(huì)造成觸發(fā)困難。因此交流耦合器件不能用于測量重力加速度、恒定離心加速度等靜態(tài)加速度⑦。它只適用于測量動(dòng)態(tài)事件。而常見的MEMS傳感器屬于直流響應(yīng)加速度傳感器，輸出是直流耦合⑧的，不隔斷觸發(fā)信號(hào)的直流分量，可對(duì)零赫茲的加速度信號(hào)做出響應(yīng)，靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)加速度都可以被測量。
對(duì)應(yīng)到振動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域，我們不僅要關(guān)注設(shè)備高頻振動(dòng)部分的變化，在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的設(shè)備方面，低頻振動(dòng)監(jiān)測同樣重要。如磨煤機(jī)、提升機(jī)、皮帶機(jī)及特大循環(huán)水泵等，其轉(zhuǎn)速一般在10~600r/min，轉(zhuǎn)頻在10Hz以內(nèi)，這對(duì)傳感器的低頻監(jiān)測有著較高的要求。
△ 提升機(jī)
壓電式傳感器受限于交流（動(dòng)態(tài)）響應(yīng)原理，其1Hz以內(nèi)甚至10Hz以內(nèi)的振動(dòng)數(shù)據(jù)都很難做到精準(zhǔn)采集分析，對(duì)于低轉(zhuǎn)速設(shè)備的監(jiān)測就很難滿足要求。而MEMS傳感器的直流（靜態(tài)）響應(yīng)特點(diǎn)使得其可以應(yīng)對(duì)各類低轉(zhuǎn)速設(shè)備監(jiān)測時(shí)，精準(zhǔn)采集1Hz以內(nèi)振動(dòng)數(shù)據(jù)，滿足低轉(zhuǎn)速設(shè)備監(jiān)測場景的需求。
04
環(huán)境要求指標(biāo)
（1）漂移特性
傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移有零點(diǎn)漂移⑨、靈敏度漂移、時(shí)間漂移和溫度漂移等。產(chǎn)生漂移的原因也有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。
以最常見且顯著的漂移——溫度漂移為例。傳感器上電后，內(nèi)部元件的溫度會(huì)逐步升高并達(dá)到穩(wěn)定，可以理解為一個(gè)供電預(yù)熱的過程，在預(yù)熱過程中采集并輸出的加速度值，是隨著溫度的變化而變化的。簡單來說，此時(shí)輸出的加速度值是有誤差性的，只能等待溫度穩(wěn)定后才能得到真實(shí)的加速度輸出值，這是制約傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要障礙。傳感器的溫漂現(xiàn)象無法完全避免，當(dāng)溫度變化發(fā)生時(shí)，能以更快的時(shí)間穩(wěn)定下來，是解決溫漂的直接手段。
上文中提到，MEMS系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕，熱容量⑩小，當(dāng)外界溫度變化時(shí)可更快達(dá)到熱穩(wěn)定，相較壓電式傳感器普遍測算結(jié)論為1~10秒的預(yù)熱時(shí)間，MEMS加速度傳感器的預(yù)熱時(shí)間可達(dá)1秒以內(nèi)，在測量過程中上電時(shí)間更短、能量消耗更少。
（2）抗干擾能力
傳感器常見的外部干擾來自于電磁輻射。在電磁輻射下，傳感器的輸出信號(hào)會(huì)受到一定程度的干擾。湃方科技曾用對(duì)講機(jī)作為模擬電磁干擾源，對(duì)兩種常見的MEMS和壓電式傳感器進(jìn)行測試，測試結(jié)果如下圖所示。
*圖為靜態(tài)條件下，兩種傳感器對(duì)電磁輻射的抗干擾能力對(duì)比
*數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)超過振動(dòng)信號(hào)（包括啟停機(jī)）閾值的干擾數(shù)據(jù)已優(yōu)化
*數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)把超過10KHz（非周期信號(hào)，推算頻率）的干擾數(shù)據(jù)已優(yōu)化
在對(duì)比試驗(yàn)中，我們將兩個(gè)傳感器保持靜止?fàn)顟B(tài)，以排除不確定因素（如不同時(shí)刻振動(dòng)加速度源的差異等）對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，分別將對(duì)講機(jī)置于傳感器不同方向的100mm距離處，讓傳感器在靜態(tài)下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集輸出。
理想狀態(tài)下，靜態(tài)條件時(shí)，傳感器輸出加速度數(shù)值應(yīng)為0，模擬電磁干擾時(shí)，兩種傳感器輸出加速度值越小，證明其抗干擾能力越強(qiáng)。
上圖數(shù)據(jù)可以看出，MEMS傳感器在各方向受到電磁干擾時(shí)，均比壓電式傳感器輸出加速度值更低，抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于壓電式傳感器，具備出色的穩(wěn)定性。而壓電式傳感器受限于工作原理，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)額外增加電磁屏蔽措施，以彌補(bǔ)相關(guān)問題。
05
總結(jié)
綜上所述，MEMS傳感器和傳統(tǒng)壓電式傳感器是兩種技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的加速度計(jì)，其在技術(shù)指標(biāo)等方面的單一對(duì)比難以說明二者孰強(qiáng)孰弱，傳感器廠家在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)綜合考慮軟硬件及應(yīng)用場景的諸多需求，對(duì)其進(jìn)行細(xì)分領(lǐng)域的謹(jǐn)慎選擇。
壓電式加速度傳感器作為更早在監(jiān)測市場上量產(chǎn)并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的傳統(tǒng)加速度計(jì)，技術(shù)指標(biāo)高、工作可靠；MEMS技術(shù)的問世則是在上述優(yōu)勢背景下，為傳感器的高集成性、高精密性及低功耗、微尺寸提供了方向，同時(shí)其直流響應(yīng)的特點(diǎn)在目前工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的低速設(shè)備監(jiān)測方面具有顯著的優(yōu)勢性。
隨著新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不論是壓電式還是MEMS，相信二者都會(huì)隨著市場需求及技術(shù)壁壘的突破，推動(dòng)設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域不斷向前邁進(jìn)。
釋義：
① PCB：Printed Circuit Board的簡稱，中文名稱為印制電路板，是重要的電子部件，是電子元器件間電氣相互連接的載體，由絕緣底板、連接導(dǎo)線和裝配焊接電子元件的焊盤組成，具有導(dǎo)電線路和絕緣底板的雙重作用。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故也被稱為印刷電路板。
② 壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。
③ 壓電晶體：能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。常見的壓電晶體還有：閃鋅礦、方硼石、電氣石、紅鋅礦、GaAs、鈦酸鋇及其衍生結(jié)構(gòu)晶體、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(羅息鹽)、食糖等。
④ 固支：力學(xué)名詞，Fixed support（固定約束），限制點(diǎn)、邊或面的所有自由度。
⑤ 輸出阻抗：阻抗是電路或設(shè)備對(duì)電流的阻力，輸出阻抗是在出口處測得的阻抗，是一個(gè)信號(hào)源的內(nèi)阻。阻抗越小，驅(qū)動(dòng)更大負(fù)載的能力就越高。
⑥ 交流耦合：通過隔直電容耦合，去掉了直流分量。
⑦ 靜態(tài)加速度和動(dòng)態(tài)加速度：靜態(tài)加速度是指重力加速度，是由于物體質(zhì)量引發(fā)的加速度值，動(dòng)態(tài)加速度是物體從開始位置移動(dòng)產(chǎn)生的加速度，通常由運(yùn)行、沖擊或振動(dòng)產(chǎn)生。
⑧ 直流耦合：是直通，交流直流一起過，并不去掉交流分量。
⑨ 零點(diǎn)漂移：是指放大電路在輸入端短路（即沒有輸入信號(hào)輸入）時(shí)，受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，用靈敏的直流表測量輸出端，也會(huì)有變化緩慢的輸出電壓產(chǎn)生，稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。
⑩ 熱容量：即比熱容（Specific Heat Capacity），用符號(hào)c表示，是指單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)吸收或放出的熱量大小。熱容量越小，物體吸放熱的能力越強(qiáng)，溫度穩(wěn)定性越好。
