高性能MEMS是什么意思 陀螺仪的作用又是什么_通信技术

作者:Aileen 发布时间:2019-09-13 16:57:50 点击数:200

首先,回顾ADI MEMS是如何定义一些主要规格的。然后,简单看一下基于加速度计的倾斜检测及相关主要规格,接着通过余下的讨论介绍自主机器人示例。接下来将更具体地说明陀螺仪规格,同时细致分析各种误差源、表征技巧以及各种情况的考虑因素。接着将讨论惯性测量单元(IMU),也就是各种传感器的组合,包括但不必限于加速度计和陀螺仪。然后是IMU的其他相关考虑点,最后将简短总结一些优质产品的性能。

高性能MEMS

相信大家从各种渠道听见过“高性能MEMS”一词,诚然,性能是一个相对指标,依特定应用要求而异。单个参数是无法定义它的。为此,必须清楚,仅依赖单个参数来表征器件是片面的,人们戏称这种情况为“规格近视眼”。高性能意味着所有规格支持对应用很重要的主要指标,可以使用个例子来说明这一点。举个例子,一个假设陀螺仪,用于长期稳定性较为重要的应用中。虽然此陀螺仪是假设的,其规格却是真实的。这些规格均来自优质陀螺仪的数据手册。该陀螺仪的关键指标最初是10º/小时,这是评估陀螺仪长期稳定性时常用的一个指标。但如果细察此陀螺仪的参数,可以看到其g灵敏度为0.1º/秒/g。在对信号进行数字化时,器件出现一些ADC误差。基准电压源不稳定性很小,但也会产生一些误差。将所有误差相加,得出关键指标的零点稳定性为10º/小时,最终陀螺仪的总误差为72º/小时,离其他规格相去甚远。现在,重要的不是观察这些特定误差的来源,重要的是说明如何定义高性能。定义方式必须使所有重要性能标准互为补充、易于理解且清楚明了。

在阅读惯性传感器数据手册时会发现,大多数参数附带典型值,而不是最小值或最大值。这主要是出于经济考虑。测试典型规格更为容易,因为一般只需在数百至一千个器件中采样一次,而不必测试每件产品。ADI公司的数据手册政策声明,如果我们在数据手册中加入最小值或最大值,则必须测试每件出厂产品的对应参数。如果了解典型规格,实际上它是非常有用的。典型值可能有多种不同含义。“典型值”可能意味着平均值,此时顺应性最多只有50%,甚至更低。考虑此曲线图中显示的分配方案,如果典型值代表平均值,对于零g偏移,平均值约为0。在此情况下,如果从大量产品中采样一次,无零g偏移的可能性极低。“典型值”的另一含义可能是平均值±1 Σ,即距离平均值一个标准差。根据高斯法则,这意味着67%的器件属于典型规格。ADI的大多数数据手册存在一些容差系数。所以,我们努力确保80%的器件保持在典型规格范围内,这就是ADI公司针对数据手册选择的方法。

规格表中另一个常见的术语是初始规格。初始规格也有两种含义。它可以表示在出厂验收测试时观察到的状态。也就是产品离开测试台时的测试结果。“初始值”的另一种含义可以涵盖任何启动和测试器件的时刻,例如在出厂时测试,出厂五个月后在测试台上测试,或者由用户在投入终端应用五年后测试。ADI的初始规格包括任何启动和测试器件的时刻。一般而言,ADI的数据手册对典型规格和初始规格均使用较保守的方法,以确保至少80%的器件在典型电平下正常工作。为此我们整合了加速老化测试的观察结果,如终生高温测试、温度周期测试、冲击测试等等,以更好地体现“初始值”在终端应用中的意义。

基于加速度计的倾斜检测

倾斜检测是加速度计的常见应用。例如它可以用于直接测量倾斜角,以在特定位置触发操作,或者用于平台稳定。倾斜检测成为加速度计的常见应用是加速度计输出与倾斜之间存在简单的三角关系,如图1所示。客户常常要求约0.1º的倾斜精度,并询问这一精度能否使用我们的加速度计来实现。实现0.1º左右的倾斜精度需要将失调控制在约1mg,而灵敏度误差控制在0.1%。即使是ADI最高性能模拟输出器件,这里指的是内核器件,例如ADXL203,也只能提供约4%的灵敏度误差,以及约25mg的失调误差。在此条件下可以获得约3º~5º的倾斜精度,而且需要执行一些校准。这些规格全部是指室温条件,如果要考察某一温度范围内的任何倾斜,该器件的偏移具有约0.5mg/ºC的温度系数。在整个温度范围内,灵敏度上下浮动约0.3%。最根本的一点是,如果确实需要精度为0.1º的倾斜传感器,必须执行校准。即使已经执行校准,甚至是校准后器件,也必须控制机械影响。原因在于,在10mm范围内,即使两侧差异仅为17µm,例如封装一侧的焊接高度比另一侧高17µm,欲控制精度的器件也将产生0.1º的倾斜误差。此情况是校准后器件,不一定是器件误差。该器件会忠实报告贴装位置的倾斜。所在,当设计极高精度的倾斜测量系统时,需要考虑的因素很多。