IT技术互动交流平台

MEMS技术和元件向极端应用市场快速渗透

发布日期:2012-08-17 16:51:49

MEMS(微机电)技术的商用可以说是从汽车的安全气囊和定位陀螺仪起家,如今正快速向消费性电子设备、工业、医学、航空航海、农业等各行各业渗透,而随著ADI这类厂商不断推出创新产品,MEMS元件开始蚕食以往昂贵的传统技术部件所佔据或者以往尚处于概念阶段的极端应用领域运动检测市场。

极端应用领域是什麽概念?简单来概括,就是应用环境较恶劣,对可靠性、精度等性能指标要求较高的各类应用,如複杂的平台稳定控制,制导、导航、追踪,无人驾驶车辆,应急响应导航,机器人,精密医疗仪器等等。针对这些应用的运动检测,那些用于所谓酷炫智慧型手机或游戏机的消费型运动感测器是远远不够资格的,往往需要达到战术级(零偏稳定度低于10o/小时)的感测元件。

「火灾现场消防人员的追踪、微创手术刀的人体内精密导航、隧道内车辆精确导航、大型机床的探伤和修复……,高性能的战术级MEMS创造了巨大的想像空间,将对未来的科学技术、人类社会的生产生活产生深远的影响。」ADI公司MEMS产品线高级应用工程师赵延辉在最近的一场MEMS IMU新产品发佈会上表示。

 


 

图1:MEMS在性能和集成度上不断进步,快速进入更广泛的应用中,包括各种极端应用。

这场新产品发佈会的“主角”就是ADI公司最新推出的第三代iSensor MEMS IMU(惯性测量单元)—ADIS16488战术级10自由度(DoF)感测器,以及ADIS16136战术级iSensor精密单轴数位MEMS陀螺仪,这些新产品系列可说明实现上述对性能和可靠性具有更高要求的各种极端应用系统。

在将MEMS技术与优势的信号调理及信号转换技术结合方面,ADI公司累积了长期的专业经验,其整合加速度计在汽车安全气囊的弹出控制领域长期具有优势地位,MEMS惯性感测器的出货量已超过2亿支,在不久前又发佈了业界第一颗採用MEMS技术,工作温度可达175°C的双轴加速度计ADXL206。目前ADI的高性能MEMS感测器核心产品系列包括:iMEMS加速度计和陀螺仪、iSensor智慧感测器和惯性测量单元(IMU)、以及iMEMS类比和数位输出麦克风IC。

iSensor系列产品可以简单理解为一种模组产品,在单个封装中整合了iMEMS元件和其他信号调理/处理/补偿/校准元器件和电路,这些元件均已经过独特而全面的工厂校准,能够在最恶劣的环境下提供高精度,也可说明客户节省设计和校准的複杂度、时间和成本,开发风险大大降低,从而加速很多新应用的研究开发。

10自由度、1/10成本,高精度、抗恶劣环境

例如,最新一代iSensor IMU ADIS16488的特点是在单封装中整合了一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力感测器,是一款完整的惯性测量系统,比ADI前一代10自由度产品在精度和性能上有很大提升,体积更小、更薄。除了重要的战术级(低于10o/小时)零偏稳定度指标以外,在重力加速度效应、温度系数和频宽等一般更重要的特性方面,ADIS16488同样超过所有其他同类陀螺仪/IMU产品,改善最多可达100倍。此外,在对线性加速度和振动加速度抑制方面,这款IMU甚至超过传统军用级IMU,可支援高性能导航和平台稳定控制应用的严格要求。

ADIS16488完全自主工作,包括所有嵌入式补偿,通电后500ms就能从SPI介面获得有效资料。所有校准均在工厂完成,嵌入式滤波和其他诊断由ADI Blackfin处理器控制的可配置介面进行调整,因而设计整合的大部分时间和风险得以消除。

另外,该模组还有一个表现出色的特别参数:振动校正(0.0001 o /s/g2),这个参数在客户进行元件评估时往往不会考虑到,但系统实际应用测试时就会体现出来,是保持系统在振动环境下,依然保持理想输出的一个决定性指标参数,也是无法校准的。


 

表1:ADIS16488代表了MEMS IMU在性能和鲁棒性上的突破性提升。

「相较于一些传统方式实现的高端IMU,ADIS16488在零偏稳定度和角度随机游走等关键指标的性能与之相当,而对振动校正、线性度和频宽等一些更重要的参数,ADIS16488能够提供更优越的性能,并且功耗仅为其1/4,成本仅为其1/10」赵延辉指出。

他说,随著ADIS16488的问世,MEMS技术得以推广到以前从未涉足的领域,如智慧工具/仪器仪表、远端制导/检测、应急回应跟踪、智慧收割、嵌入式补偿、手术导航和工厂自动化等。

光纤陀螺仪的终结者?

此次发佈的另一款IMU模组—ADIS16136是一种高性能、数位陀螺仪检测系统,自治工作,无需使用者配置便可产生精确的速率检测资料。其性能优势包括低杂讯密度、大频宽和出色的零偏稳定度,支持平台控制、导航、机器人和医疗仪器等应用。

零偏稳定度是可以估算的最佳理论偏置精度,也可视为「解析度」或「残留偏置」。业界根据零偏稳定度来划分陀螺仪的级别:惯性级:<<0.1 度/小时、战术级:<10 度/小时;速率级:>10 度/小时;消费级:>100 度/小时。战术级陀螺仪性能显著改善并简化工业惯性检测,如大幅提高GPS辅助航位零偏稳定度推算和平台稳定/导引的性能。

不过,正像ADI赵延辉所说,「关键问题是在大多数应用中,偏置稳定度不是主要的误差源。实际上在複杂的运动和恶劣的环境下,设备非常容易受加速度变化(倾斜/振动)的影响。」ADIS16136与前文提到的ADIS16488 IMU模组的共同特点是除了具备战术级的零偏稳定度之外,还具备业界领先的振动/衝击/温度稳定性。

 
 

图2:ADIS16136与光纤陀螺仪的对比。

如图2所示,与昂贵、易损的光纤陀螺仪相比,ADIS16136 MEMS陀螺仪的稳定度和角度随机游走特性与之相当,线性度则提高2倍,启动时间快30倍,功耗低5倍。更重要的是,相比于10立方英寸甚至更大的光纤陀螺仪,ADIS16136可以说是体积非常的小,大约为1立方英寸,重量仅有25克,这将有助于许多新应用实现精密角速率检测。

和ADIS16488 一样,ADIS16136实现了ADI公司的iMEMS技术与信号调理技术的完美结合,可提供优化的动态性能。ADIS16136以最高2048 SPS(每秒採样数)的速率提供资料,并提供一个均值/抽取滤波器结构,以优化杂讯与频宽的取捨。串列外设介面(SPI)和使用者寄存器结构可让使用者轻鬆访问配置控制和校准的感测器资料,适合嵌入式处理器平台。每个组成元件均在整个温度范围内经过全面的工厂校准,具有元件特定的补偿公式,无需额外测试或校准便可提供高度稳定的感测器输出。对于一些系统,工厂校准可免除系统级校准,大大简化操作。而380 Hz的大频宽能很好地适应各种複杂的稳定应用www.it165.net。

这两款新产品都採用全新的插针式封装,因此介面鲁棒性更好,可轻鬆实现机械固定。而且均支援-40°C至+85°C的全温工作范围,可适应各种恶劣工作环境。

全集成IMU简化系统设计、加速实现新应用

ADI公司提供广泛的介面相容型IMU解决方案,包括新推出的ADIS16488。这些IMU晶片模组的集成度和精度不断得到提高,体积不断减小,而且所有複杂、关键的IMU校准和补偿均由ADI公司完成,因此可减少的系统开发时间以人•年计。客户无需购买测试设备,可以节省以10万美元计的大笔投资。这些器件都配有简单的序列介面,用户访问极为便捷。

 


 

图3:ADI的IMU集成了高性能惯性内核+优化的惯性测量单元。

以图3所示的稳定和导航系统应用为例,红色线条框住的部分即体现了ADI新一代IMU产品的核心价值所在。採用这种IMU产品,各种工业级和极端应用运动检测系统开发者就无需关注耗时耗力耗钱的感测器调理、补偿/感测器处理以及校准电路的设计,ADI已经将所有的硬体都设计好并校准好,客户只需专注于演算法与软体的开发,从而可加速应用的开发,促进各类工业级和极端应用运动检测市场的发展。特别地,ADIS16488整合了3轴加速度计,3轴陀螺仪,3轴磁力计和1个气压计共10个自由度,从而可以为使用者提供单晶片的解决方案。

延伸阅读:

Tag标签: MEMS技术  
  • 专题推荐

About IT165 - 广告服务 - 隐私声明 - 版权申明 - 免责条款 - 网站地图 - 网友投稿 - 联系方式
本站内容来自于互联网,仅供用于网络技术学习,学习中请遵循相关法律法规