A tecnologia de detecção evoluiu de sistemas rudimentares (como sensores térmicos e extensômetros) para sistemas analíticos de ponta (aceleradores de detecção de movimento, giroscópios, etc.).
Esta tecnologia integrou-se perfeitamente em várias facetas da vida diária, facilitada pela tecnologia sem fio e sensores MEMS. Esses sensores, suficientemente compactos para caber em dispositivos vestíveis, permitem que os indivíduos monitorem sua saúde. Além disso, a fusão de sensores aliada a algoritmos de Inteligência Artificial (IA) e Aprendizado de Máquina (ML) garantem a criação de ambientes industriais seguros. Esta integração vai além dos ambientes industriais, abrangendo a automação residencial e a agricultura inteligente, revolucionando a forma como interagimos com o ambiente que nos rodeia. Além disso, os sensores MEMS estão preparados para revolucionar o monitoramento ambiental, detectando e analisando a qualidade do ar e da água em tempo real, por exemplo. Este artigo faz uma viagem pela tecnologia de sensores com avanços em vários parâmetros de detecção e discute o potencial e as tendências nas aplicações de sensores.
Futuro da tecnologia de sensores
No futuro, os sensores farão a transição para sensores “inteligentes”, marcados por diversos avanços tecnológicos. Esses avanços incluem miniaturização, padronização, segurança, velocidade, precisão, conectividade sem fio e recursos de autoaprendizagem. Os eletrônicos de consumo, incluindo smartphones, tablets e sistemas de videogame, possuem sensores MEMS. Além disso, a tecnologia também está integrada em diversas outras aplicações, incluindo eletrônicos vestíveis para os mercados de saúde e fitness. O design dos sensores MEMS avança continuamente com dispositivos de consumo ultrabaixo e ocupando menos espaço, o que ajuda a integrar a tecnologia com dispositivos de sistema em pacote (SiP) ou módulos miniaturizados inteligentes. Isto permitirá o desenvolvimento de produtos inteligentes, aumentando a capacidade computacional da microeletrônica com as capacidades de percepção e controle de microssensores e microatuadores.
Como a tecnologia MEMS avançada resolve desafios complexos de detecção
A tecnologia MEMS consiste em elementos mecânicos e eletromecânicos em miniatura altamente precisos. A tecnologia de microfabricação permite a criação de dispositivos com dimensões que variam de um mícron a vários milímetros. Esta versão microusinada de sensores supera aqueles que usam as técnicas de usinagem em nível macro mais precisas. Seu método de produção utiliza as mesmas técnicas de fabricação em lote utilizadas na indústria de circuitos integrados, o que pode se traduzir em baixos custos de produção por dispositivo e outros benefícios. Ao mesmo tempo, eles mantêm a demanda da bateria baixa para durações mais longas. Os sensores MEMS têm uma estrutura de suporte de carga mais rígida e níveis de deformação menores, produzindo dez vezes mais resultados do que os sensores convencionais. Ele fornece sensores precisos e confiáveis que combatem a fadiga e o desvio e proporcionam estabilidade de longo prazo a um custo baixo. Algumas das características distintas dos sensores MEMS os tornaram excepcionais em comparação aos sensores tradicionais. Eles são:
Tamanho: Uma característica notável dos sensores MEMS é a sua impressionante funcionalidade, apesar de ser extremamente pequena, medida em milímetros (µm). As microestruturas microusinadas em wafers de silício são mostradas na Figura 1. Esse tamanho também permite otimizar a quantidade de matriz produzida em cada wafer utilizado para fabricação. O lote de sensores produzido é a granel, tornando-se uma matriz de menor custo para o cliente sem perder desempenho superior. Isso tornou possível o monitoramento contínuo da saúde com sensores vestíveis. O tamanho em miniatura também ajuda a ser incorporado em telefones celulares, dispositivos portáteis, etc.
Precisão: A precisão do sensor refere-se à variação máxima entre os valores reais e exibidos na saída. Pode ser expresso como uma percentagem da escala completa ou em termos absolutos. Os módulos de sensores MEMS normalmente incluem dados pré-calibrados armazenados na memória não volátil (NVM) do módulo. O sensor usa os coeficientes de calibração no NVM para produzir medições estáveis. Ele pode ser operado com um desvio máximo de ±1% durante a vida útil do módulo. Um exemplo da precisão do sensor de gás MEMS RRH46410 na medição da qualidade do ar interno para CO2 é mostrado na Figura 2.
Não-linearidade: A não-linearidade mede o desvio de uma sensibilidade perfeitamente constante, especificada como uma porcentagem referente à faixa completa da escala (%FSR) ou ± escala completa (%FS). Normalmente, FSR = FS+FS. A não linearidade dos sensores MEMS é suficientemente baixa para tornar possível a aplicação do sensor em veículos autônomos, cirurgia robótica, etc. O ligeiro desvio entre o valor real e o valor de detecção do sensor MEMS é mostrado na Figura.3.
Precisão: Se considerarmos largura de banda e resolução, o acelerômetro MEMS, ADXL362 da ADI, conforme mostrado na Figura 4, pode ser um exemplo ilustrativo. Ao contrário dos métodos de subamostragem que podem levar ao aliasing do sinal, este acelerômetro amostra a largura de banda total do sensor em todas as taxas de dados, mantendo baixos níveis de ruído. Isto permite que os sinais mais pequenos sejam medidos. Para aplicações onde um nível de ruído inferior ao padrão 550 µg/√Hz do ADXL362 é desejado, qualquer um dos dois modos de ruído mais baixos (até 175 µg/√Hz) pode ser selecionado com um aumento mínimo na corrente de alimentação. Isso aumenta a precisão da leitura de saída.
Confiabilidade: A tecnologia MEMS permitiu o desenvolvimento de projetos de sensores mecanicamente robustos e de alto desempenho. Isso, juntamente com um processo de tampa de silicone hermeticamente selado para embalagem, ajuda a fornecer switches MEMS genuinamente confiáveis e de longa duração.
A Figura 5 mostra um switch MEMS de matriz única e um driver IC montado na estrutura. Para tornar o componente MEMS o mais fácil de usar possível e garantir ainda mais o desempenho, um circuito integrado de driver (IC) complementar foi desenvolvido especificamente para gerar altas tensões CC e empacotado com o switch MEMS em um pacote quad flat sem condutor ( QFN) fator de forma.
Circuitos de condicionamento de sinal de sensor da Newark: ZSC31010KITV2P1, SSCCOMMBOARDV4P1C, LMH6401EVM, PGA450Q1EVM, ZSC31050KITV3P1, STM32F427ZGT6
Monitoramento de condições e manutenção preditiva usando sensores MEMS
As infraestruturas necessitam de manutenção para garantir o seu correto funcionamento. Uma parada não programada devido ao desgaste de peças pode significar perda de produtividade. Você deve substituir os componentes instantaneamente para evitar inconveniências ou taxas de horas extras caras, e monitorar continuamente um dispositivo ou sistema para fornecer um aviso antecipado para qualquer ocorrência infeliz. Neste contexto, sensores de vibração podem ser usados para monitoramento de condições. É possível monitorar a saúde da máquina para tomar uma decisão informada sobre o momento da substituição com base em uma compreensão detalhada do seu status real de falha.
Detecção de vibração usando um sensor MEMS magnético 3D
O monitoramento de vibração é frequentemente usado para monitoramento de condições, pois fornece um aviso antecipado de que um dispositivo mecânico não está funcionando perfeitamente. Uma peça que começa a se desgastar se move de forma assimétrica e com vibração detectável. Mais detalhes podem ser determinados quanto à causa precisa, como desequilíbrio de carga, desalinhamento ou desgaste do rolamento de esferas, com análise apropriada da amplitude e frequência das vibrações. Um sensor magnético 3D baseado em Hall torna esse monitoramento possível. Este sensor detecta mudanças em campos magnéticos; portanto, nenhuma conexão física é necessária. Por exemplo, a Figura 6 mostra um ímã preso a um eixo enquanto o sensor está posicionado no invólucro, desde que não bloqueie os campos magnéticos.
b. Sensor de pressão barométrica MEMS para medição de fluxo de ar
O sensor pode ser colocado dentro do tubo para monitorar a pressão e as taxas de fluxo de gás. Não há necessidade de cortar o acesso ao tubo para medir a pressão interna. O fluxo de ar sobre a superfície curva da asa causa uma queda na pressão do ar que levanta a asa, conforme mostrado na Figura 7. Os sensores de pressão são projetados com uma membrana para proteger a estrutura do sensor contra sujeira, umidade e líquidos.
O sensor capacitivo de pressão barométrica consiste em quatro conjuntos de células de detecção e referência. A membrana flexível nas células de detecção reage às mudanças de pressão e fornece a medição da pressão do ar. Os sensores MEMS precisam de vibração ou entrada de pressão mínimas em comparação com sensores tradicionais com estruturas grandes. Eles são, portanto, adequados para aplicações de manutenção preditiva.
Fusão de Sensores
A fusão de sensores é um processo pelo qual dados de vários sensores diferentes são “fundidos” para computar insights além do que qualquer sensor individual poderia fornecer sozinho.
Usando a fusão de sensores para melhorar o desempenho dos sensores de inclinação
Uma massa é adicionada à matriz de silício do sensor em um sensor de inclinação baseado em MEMS. A força da gravidade desvia a matriz na posição horizontal, produzindo uma saída elétrica. À medida que a matriz é girada para a posição vertical, a força na matriz vai para zero, assim como a saída elétrica. A saída é digital e calibrada em termos de ângulo de inclinação em graus. Os sensores de inclinação baseados em MEMS abordaram muitos problemas associados às tecnologias de base líquida.
A função e a precisão de um sensor de inclinação são afetadas por muitos fatores. Alguns desses fatores são gravidade, temperatura, calibração do sensor de inclinação, linearidade e sensibilidade do eixo cruzado. Algumas especificações críticas de um sensor de inclinação incluem o número de eixos, resolução, faixa de medição, tolerância a ruído, vibração e choques.
Sensores de inclinação baseados em MEMS usam a gravidade como força atuante no elemento sensor. Uma abordagem típica para um sensor de inclinação MEMS incluiria um acelerômetro de 3 eixos onde a gravidade atua em cada eixo dependendo do ângulo de inclinação. Os sinais são compensados por temperatura e linearizados, e o ângulo de inclinação real é calculado a partir dos dados de aceleração 3D, conforme mostrado na Figura 8. No entanto, qualquer aceleração adicional, por exemplo, mudanças na velocidade do veículo, leva à distorção da inclinação calculada. A combinação de um acelerômetro e um giroscópio é, portanto, uma abordagem preferida. A força do outro compensa a fraqueza de um sensor. Um sensor giroscópio mede a taxa de rotação ou velocidade angular em torno de um eixo específico.
O sensor de inclinação giroestabilizado combina um acelerômetro de 3 eixos, um giroscópio, um sensor de temperatura e um MCU sofisticado em um pacote compacto, conforme mostrado na Figura 9. Os algoritmos coletam dados de diferentes sensores, compensam os efeitos da temperatura e os fundem para produzir um sinal de saída de inclinação estabilizado, mas de rastreamento rápido.
Conclusão
O principal ponto forte dos switches MEMS é sua capacidade de oferecer precisão e exatidão, apesar de seu tamanho compacto. Eles oferecem desempenho de RF de banda larga e confiabilidade superior em comparação com relés em um formato minúsculo montável em superfície. A estrutura mecânica do MEMS garante alta confiabilidade e excelente desempenho, superando os sensores convencionais. Ao incorporar a tecnologia de IA na borda, os sensores modernos podem coletar, processar e enviar dados significativos em tempo real. A fusão aprimorada de sensores baseada em IA ou ML pode ser implementada em vários níveis do sistema, incluindo dados, nível de fusão e níveis de decisão.
A Newark fez parceria com fornecedores que atendem a vários acessórios de sensores industriais e incorporados, como CIs de sensores, acelerômetros MEMS, módulos MEMS, giroscópios MEMS, sensores de pressão e kits de desenvolvimento de sensores.
Contato da Newark no Brasil
Para mais informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: vendas@laterebr.com.br
* Texto originalmente publicado no link, adaptado pela Equipe Embarcados.
Bom artigo!
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