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高性能MEMS意味着什么? - MEMS - 免费猫

发布时间:2020-02-17 12:35:08 阅读: 来源:矿用风机厂家

高性能MEMS意味着什么? - MEMS - 电子工程网

图6 三种不同误差源

作为最重要的指标,陀螺仪上会指定角向随机游动、运动中偏置稳定度,有时在光纤陀螺仪上还能看到速率随机游动,但MEMS陀螺仪上一般不会指定。关于角向随机游动,可以看到此处公式与60有关,基本上是将速率噪声密度乘以60并除以2的平方根因此速率噪声密度与角向随机游动相关。运动中偏置稳定度通常称为陀螺仪的分辨率,或者可以获得的最佳稳定度,均需要仔细控制。最后,速率随机游动是一个长期测量值,有时需要数天来测量,只利用温度灵敏度会很困难。通常不会在数据手册中指定该值,但对于最新一代器件,希望速率随机游动介于2度至4度/小时/平方根小时之间。

影响振动的因素通常有两个:线性g效应,还有整流特性。线性g通常是额定值,如果在垂直于器件旋转轴的平面内发生线性g,陀螺仪内将有何响应?理想情况下,假设在陀螺仪内旋转,陀螺仪会有响应。如果我以线性方式运动,陀螺仪无响应。在现实中,使用微型机械结构时,这些因数变得与运动中偏置稳定度同样重要。这里关键的一点是如何测量它?如何观测它?它在数据手册中有何意义?让我们来慢慢分析。其实线性g测量非常简单。大多数情况下,可以使用重力作为激励。您可以沿一个方向转动器件,例如一侧直立。然后翻转到转动位置,即完全±1g方位,以便提供响应。而g×g测量稍为困难,因为这些器件,特别是646及内置646的其他器件,提供非常良好的响应。因此一般必须提高g水平,测量冲击,而且必须使用高端加速度计进行测量。ADI现在已在数据手册中指定该值,可以用于估算振动。事实上,必须沿某个方向及其相反方向旋转,获得线性g效应,然后留下g×g效应。

加速度计沿不同于重力的方向倾斜时,加速度改变。对于陀螺仪上的线性g效应,如果我将陀螺仪平放于桌面上,转动至与地球重力矢量成10 ,效果便会出现到目前为止,这一效应通常可观察、可校准。器件额定值为0.005 /秒/g2,它的运动中偏置稳定度也令人印象深刻,应在在2 ~4 /小时左右。在2g rms环境中,振动不会很多,对于飞机框架或UAV,以及行驶在道路上的机器人,该值降低至72 /小时。

惯性测量单元

多数惯性运动很复杂。由于涉及多个轴,单个陀螺仪常常不够用。此外,陀螺仪还有线性和旋转元件。另外还要考虑环境条件。惯性测量单元通常至少提供3轴加速度计和3轴陀螺仪。一些器件还会提供磁力计,帮助提供陀螺仪反馈。偶尔也会提供气压计,以测量海拔高度变化。

在制定陀螺仪选型和表征支持规格时,跨轴灵敏度是一大区分指标。例如,对于适用于手机的器件,如基本手势应用,以及高性能器件,如仪表型应用,跨轴灵敏度非常重要。目前,基于可用的所有指标,最高性能的MEMS陀螺仪仍然是单轴器件。虽然行业技术大有进步,但就稳定性和振动而言,基于迄今讨论的所有指标,单轴器件仍然居冠。这就意味着,如果要设计分立式IMU,必须开发3D结构,同时开发3D校准。依据我们构建此类器件的经验,可以获得的最佳对准在2 ~4 之间。与特定轴实现4 对准实际上可以获得约7%的灵敏度。如果机器人在倾角变化±45 的地面行走,航向不稳定度可达2.1 。短时间内这可能无甚影响,但如果尝试从下方跟踪机器人,比如一组树木,又没有GPS访问,问题就来了。通过校正,ADIS163xx和4xx器件将该值降低至0.1%以下,因此该值是关键指标之一。在阅读一页数据手册上的新闻稿或功能组合时,通常没有这些参数,当然这不是因为制造商想隐瞒什么,而是因为其终端市场没有此需求。该参数是提供给您的。用户决定了您需要控制的性能组合。 ADI所有IMU经过100%校准,而且附带这些参数。视器件而定,每个器件要经过250甚至500个步骤。所有校准需花数小时。在开发和购买某一性能或功能水平的产品时,这些参数需要大致浏览一下。

总结

器件ADXR646在多个参数上具有业界领先的性能。它的线性加速度效应和在宽振动条件范围内支持12 /小时的运动中偏置稳定度的能力。ADI有两个不同部门负责这些器件的设计和支持。我们就像该器件的客户,在设计部分IMU和部分高级陀螺仪时利用了这些服务,其作用不可忽视。提供这些规格是为了节省各位的时间,同时用作重要的性能指标。购买集成器件相对于自己动手开发的优势。以16488为例,灵敏度误差可降低10到15倍,更不用说偏置误差了。另外常常还有跨轴灵敏度的提升。相比针对手持式应用设计的低级别器件,例如手机、图片转动设备或Wii远程设备,该参数也远远高出。除了校准能力高超,物理结构强固也是优势之一,比如说,塑料元件沾水后无膨胀或收缩。这也有利于跨轴灵敏度。附带一提,这些器件曾在2 000 g下接受测试。经过数百个温度周期,就是寿命测试,器件仍然能保持跨轴灵敏度,这真的是一大技术进步。

问答选编

问:三轴MEMS加速计的XYZ轴的非线性是一致的吗?它跟安装有何关系?答:一般情况下,Z轴的指标由于MEMS芯片后端的原因, 相比XY要低一点。安装或者焊接引起的误差,可以通过校正来消除。

问:ADIS16260采用什么样的接口?怎么与微处理器进行连接? 答:ADI的数字输出的MEMS传感器(包括ADIS16260)通常采用SPI接口与外部的微处理器通信。

问:如何选择加速度传感器?主要要注意哪些参数?答:取决于你的应用。主要要注意的参数有:量程;DC下的精度(灵敏度,非线性度,噪声等);漂移(随时间和随温度变化的误差)。

问:陀螺仪与MCU接口有哪些? 答:数字输出的陀螺仪都为SPI接口,可以比较方便的与MCU连接。对于模拟电压输出的陀螺仪其输出需要接ADC来进行模数转换。

问:请问要用ADXL203实现0.1°的精度,需要注意哪些方面?比如高分辨率AD采集系统?换言之,是不是提高AD采用精度能提高ADXl203倾斜角测量精度? 答:高分辨率ADC只是一个方面,最重要的是校准,才能提高精度。0.1°的倾斜精度需要约1mg的失调和约0.1%的灵敏度,ADXL203提供大约3°~5°倾斜精度,要实现更高值则需要执行校准。可以参考IMU:ADIS16209和ADIS16210。是在ADXL203的基础上增加了校准功能,ADIS16209在±90°测量范围内提供所需的0.1°倾斜精度,ADIS16210则在±180度测量范围内提供所需的倾斜精度。

问:请介绍ADIS16488的非线性度? 答:ADIS16488内部集成的不同传感器,会有不同的非线性度,以其内部陀螺为例,在450deg/sec的量程范围内,其非线性度是0.01%乘以量程。

问:ADI哪些加速度传感器具有温度补偿功能?补偿的温度范围有多宽? 答:一般IMU(ADIS开头的器件)都是具有温度补偿功能的。补偿的温度范围,请参考数据手册中温度漂移指标的温度范围。

问:请问ADI公司的MEMS多自由度目前能达到多少?答:目前我们的产品可达10自由度,3轴陀螺,3轴加速度计,3轴磁力计,1个气压计,也就是可以实现单芯片的惯导解决方案。

问: 影响陀螺仪非线性度的因素主要有哪些?需要修正吗?答:影响陀螺仪的非线性度的主要因素是MEMS本身的工艺影响。是否需要修正取决于你的应用。如果非线性度指标不满足要求,可以选择更高性能的MEMS和IMU,他们的高性能是通过内部校准实现的。

问:请问陀螺仪与mcu接口的通信速率最大可达到多少? 答:ADI的数字陀螺仪与MCU的通信速率需要看具体的型号,通常数据读取速率在KHz级。

问:影响MEMS测量精度的噪音主要有哪几个方面?如何降低? 答:影响MEMS测量精度的因素有很多,比如噪声,温度漂移,非线性,非正交性,振动、冲击、线性加速度影响等。噪声可以采用多颗芯片平均的办法来降低,温度漂移、非线性、非正交性等可以通过软件矫正,一般用户最难控制的是振动、冲击、线性加速度的影响,所以在选型时一定要注意linear acceleration effort on bias这个指标,因为这些影响主要是靠器件本身的设计来保证的。

问:MEMS加速计在使用过程中是否需要不断进行校准?是通过软件进行吗?答:ADI大部分的传感器在出厂前都做过校准,用户可以根据自己的需要通过软件进行校准。

问:ADI陀螺仪响应速度有哪几个,最快能达到多少? 答:一是要看启动时间,一般都在ms级,比如ADXRS642启动时间是最大50ms。再就是看器件的带宽,ADXRS642是2000Hz。

问:高性能MEMS主要应用于手持产品?还是应用在其他高端的产品?

答:ADI提供有用应用于消费类电子的传感器,例如ADXL345、346等;对于陀螺仪,主要针对非消费类的电子产品,如平台稳定控制,导航,机器人和UAV等等。

问:ADI的MEMS有无独特的创新优势? 答:在传感器出厂前,ADI做了大量的测试和校准工作,以提高芯片的性能并减轻工程师的工作量。以我们的MEMS陀螺仪为例,其内部都至少采用两个传感器单元(在ADXRS64x中采用4个),这样对加速度等外部影响具有很好的抑制作用。

Source: ADI公司

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