MEMS技術(shù)+器件向極端應(yīng)用市場快速邁步
[導(dǎo)讀]MEMS（微機(jī)電）技術(shù)的商用可以說是從汽車的安全氣囊和定位陀螺儀起家，如今正快速向消費(fèi)類電子設(shè)備、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空航海、農(nóng)業(yè)等各行各業(yè)滲透，而隨著ADI這類廠商不斷推出革命性的創(chuàng)新產(chǎn)品，MEMS器件開始蠶食以往昂
MEMS（微機(jī)電）技術(shù)的商用可以說是從汽車的安全氣囊和定位陀螺儀起家，如今正快速向消費(fèi)類電子設(shè)備、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航空航海、農(nóng)業(yè)等各行各業(yè)滲透，而隨著ADI這類廠商不斷推出革命性的創(chuàng)新產(chǎn)品，MEMS器件開始蠶食以往昂貴的傳統(tǒng)技術(shù)部件所占據(jù)或者以往尚處于概念階段的極端應(yīng)用領(lǐng)域運(yùn)動檢測市場。
極端應(yīng)用領(lǐng)域是什么概念？簡單來概括，就是應(yīng)用環(huán)境較惡劣，對可靠性、精度等性能指標(biāo)要求較高的各類應(yīng)用，如復(fù)雜的平臺穩(wěn)定控制，制導(dǎo)、導(dǎo)航、追蹤，無人駕駛車輛，應(yīng)急響應(yīng)導(dǎo)航，機(jī)器人，精密醫(yī)療儀器等等。針對這些應(yīng)用的運(yùn)動檢測，那些用于所謂酷炫智能手機(jī)或游戲機(jī)的消費(fèi)級運(yùn)動傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠資格的，往往需要達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時）的傳感部件。
“火災(zāi)現(xiàn)場消防人員的追蹤、微創(chuàng)手術(shù)刀的人體內(nèi)精密導(dǎo)航、隧道內(nèi)車輛精確導(dǎo)航、大型機(jī)床的探傷和修復(fù)……，高性能的戰(zhàn)術(shù)級MEMS創(chuàng)造了巨大的想象空間，將對未來的科學(xué)技術(shù)、人類社會的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”ADI公司MEMS產(chǎn)品線高級應(yīng)用工程師趙延輝在最近的一場MEMS IMU新產(chǎn)品發(fā)布會上表示。
圖1：MEMS在性能和集成度上不斷進(jìn)步，快速進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用中，包括各種極端應(yīng)用。
這場新產(chǎn)品發(fā)布會的“主角”就是ADI公司最新推出的第三代iSensor MEMS IMU（慣性測量單元）——ADIS16488戰(zhàn)術(shù)級10自由度(DoF)傳感器，以及ADIS16136戰(zhàn)術(shù)級iSensor 精密單軸數(shù)字MEMS陀螺儀，這些新產(chǎn)品系列可幫助實(shí)現(xiàn)上述對性能和可靠性具有更高要求的各種極端應(yīng)用系統(tǒng)。
在將MEMS技術(shù)與優(yōu)勢的信號調(diào)理及信號轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合方面，ADI公司集成加速度計在汽車安全氣囊的彈出控制領(lǐng)域長期占據(jù)優(yōu)勢地位，MEMS慣性傳感器的出貨量已超過2億支，在不久前又發(fā)布了業(yè)界第一顆采用MEMS技術(shù)，工作溫度可達(dá)175°C的雙軸加速度計ADXL206。目前ADI的高性能MEMS傳感器核心產(chǎn)品系列包括：iMEMS加速度計和陀螺儀、iSensor智能傳感器和慣性測量單元(IMU)、以及iMEMS模擬和數(shù)字輸出麥克風(fēng)IC。
iSensor系列產(chǎn)品可以簡單理解為一種模塊產(chǎn)品，在單個封裝中集成了iMEMS元件和其它信號調(diào)理/處理/補(bǔ)償/校準(zhǔn)元器件和電路，這些元器件均已經(jīng)過獨(dú)特而全面的工廠校準(zhǔn)，能夠在最惡劣的環(huán)境下提供無與倫比的精度，也可幫助客戶節(jié)省設(shè)計和校準(zhǔn)的復(fù)雜度、時間和成本，開發(fā)風(fēng)險大大降低，從而加速很多新應(yīng)用的研究開發(fā)。
10自由度、1/10成本，高精度、抗惡劣環(huán)境
例如，最新一代iSensor IMU ADIS16488的特點(diǎn)是在單封裝中集成了一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力傳感器，是一款完整的慣性測量系統(tǒng)，比ADI前一代10自由度產(chǎn)品在精度和性能上有很大提升，體積更小、更薄。除了重要的戰(zhàn)術(shù)級（低于10o/小時）零偏穩(wěn)定度指標(biāo)以外，在重力加速度效應(yīng)、溫度系數(shù)和帶寬等一般更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過所有其它同類陀螺儀/IMU產(chǎn)品，改善最多可達(dá)100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，這款I(lǐng)MU甚至超過傳統(tǒng)軍用級IMU，可支持高性能導(dǎo)航和平臺穩(wěn)定控制應(yīng)用的嚴(yán)格要求。
ADIS16488完全自主工作，包括所有嵌入式補(bǔ)償，通電后500 ms就能從SPI接口獲得有效數(shù)據(jù)。所有校準(zhǔn)均在工廠完成，嵌入式濾波和其它診斷由ADI Blackfin 處理器控制的可配置接口進(jìn)行調(diào)整，因而設(shè)計集成的大部分時間和風(fēng)險得以消除。
另外，該模塊還有一個表現(xiàn)出色的特別參數(shù)：振動校正(0.0001 o /s/g2)，這個參數(shù)在客戶進(jìn)行器件評估時往往不會考慮到，但系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測試時就會體現(xiàn)出來，是保持系統(tǒng)在振動環(huán)境下，依然保持理想輸出的一個決定性指標(biāo)參數(shù)，也是無法校準(zhǔn)的。
表1：ADIS16488代表了MEMS IMU在性能和魯棒性上的突破性提升。
“相比于一些傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)的高端IMU，ADIS16488在零偏穩(wěn)定度和角度隨機(jī)游走等關(guān)鍵指標(biāo)的性能與之相當(dāng)或更好，而對振動校正、線性度和帶寬等一些更重要的參數(shù)，ADIS16488能夠提供更優(yōu)越的性能，并且功耗僅為其1/4，成本僅為其1/10。”趙延輝指出。
他說，隨著ADIS16488的問世，MEMS技術(shù)得以推廣到以前從未涉足的領(lǐng)域，如智能工具/儀器儀表、遠(yuǎn)程制導(dǎo)/檢測、應(yīng)急響應(yīng)跟蹤、智能收割、嵌入式補(bǔ)償、手術(shù)導(dǎo)航和工廠自動化等。
光纖陀螺儀的終結(jié)者?
此次發(fā)布的另一款I(lǐng)MU模塊——ADIS16136是一種高性能、數(shù)字陀螺儀檢測系統(tǒng)，自治工作，無需用戶配置便可產(chǎn)生精確的速率檢測數(shù)據(jù)。其性能優(yōu)勢包括低噪聲密度、大帶寬和出色的零偏穩(wěn)定度，支持平臺控制、導(dǎo)航、機(jī)器人和醫(yī)療儀器等應(yīng)用。
零偏穩(wěn)定度是可以估算的最佳理論偏置精度，也可視為“分辨率”或“殘留偏置”。業(yè)界根據(jù)零偏穩(wěn)定度來劃分陀螺儀的級別：慣性級：<<0.1 度/小時、戰(zhàn)術(shù)級：<10 度/小時；速率級：>10 度/小時；消費(fèi)級：>100 度/小時。戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀性能顯著改善并簡化工業(yè)慣性檢測，如大幅提高GPS輔助航位零偏穩(wěn)定度推算和平臺穩(wěn)定/導(dǎo)引的性能。
不過，正像ADI趙延輝所說，“關(guān)鍵問題是在大多數(shù)應(yīng)用中，偏置穩(wěn)定度不是主要的誤差源。實(shí)際上在復(fù)雜的運(yùn)動和惡劣的環(huán)境下，設(shè)備非常容易受加速度變化（傾斜/振動）的影響?！?ADIS16136與前文提到的ADIS16488 IMU模塊的共同特點(diǎn)是除了具備戰(zhàn)術(shù)級的零偏穩(wěn)定度之外，還具備業(yè)界領(lǐng)先的振動/沖擊/溫度穩(wěn)定性。
圖2：ADIS16136與光纖陀螺儀的對比。
如圖2所示，與昂貴、易損的光纖陀螺儀相比，ADIS16136 MEMS陀螺儀的穩(wěn)定度和角度隨機(jī)游走特性與之相當(dāng)，線性度則提高2倍，啟動時間快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纖陀螺儀，ADIS16136可以說是體積非常的小，大約為1立方英寸，重量僅有25克，這將有助于許多新應(yīng)用實(shí)現(xiàn)精密角速率檢測。
和ADIS16488 一樣，ADIS16136實(shí)現(xiàn)了ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的iMEMS 技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動態(tài)性能。ADIS16136以最高2048 SPS（每秒采樣數(shù)）的速率提供數(shù)據(jù)，并提供一個均值/抽取濾波器結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化噪聲與帶寬的取舍。串行外設(shè)接口(SPI)和用戶寄存器結(jié)構(gòu)可讓用戶輕松訪問配置控制和校準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)，適合嵌入式處理器平臺。每個組成元器件均在整個溫度范圍內(nèi)經(jīng)過全面的工廠校準(zhǔn)，具有器件特定的補(bǔ)償公式，無需額外測試或校準(zhǔn)便可提供高度穩(wěn)定的傳感器輸出。對于一些系統(tǒng)，工廠校準(zhǔn)可免除系統(tǒng)級校準(zhǔn)，大大簡化操作。而380 Hz的大帶寬能很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的穩(wěn)定應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
這兩款新產(chǎn)品都采用全新的插針式封裝，因此接口魯棒性更好，可輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定。而且均支持-40°C至+85°C的全溫工作范圍，可適應(yīng)各種惡劣工作環(huán)境。
全集成IMU簡化系統(tǒng)設(shè)計、加速實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用
ADI公司提供廣泛的接口兼容型IMU解決方案，包括這次最新推出的ADIS16488。這些IMU芯片模塊的集成度和精度不斷得到提高，體積不斷減小，而且所有復(fù)雜、關(guān)鍵的IMU校準(zhǔn)和補(bǔ)償均由ADI公司完成，因此可減少系統(tǒng)開發(fā)時間以人·年計。客戶無需購買測試設(shè)備，可以節(jié)省以10萬美元計的大筆投資。這些器件都配有簡單的串行接口，用戶訪問極為便捷。
圖3：ADI的IMU集成了高性能慣性內(nèi)核+優(yōu)化的慣性測量單元。
以圖3所示的穩(wěn)定和導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用為例，紅色線條框住的部分即體現(xiàn)了ADI新一代IMU產(chǎn)品的核心價值所在。采用這種IMU產(chǎn)品，各種工業(yè)級和極端應(yīng)用運(yùn)動檢測系統(tǒng)開發(fā)者就無需關(guān)注耗時耗力耗錢的傳感器調(diào)理、補(bǔ)償/傳感器處理以及校準(zhǔn)電路的設(shè)計，ADI已經(jīng)將所有的硬件都設(shè)計好并校準(zhǔn)好，客戶只需專注于算法與軟件的開發(fā)，從而可加速應(yīng)用的開發(fā)，促進(jìn)各類工業(yè)級和極端應(yīng)用運(yùn)動檢測市場的發(fā)展。特別地，ADIS16488集成了3軸加速度計，3軸陀螺儀，3軸磁力計和1個氣壓計共10個自由度，從而可以為用戶提供單芯片的解決方案。
極端應(yīng)用領(lǐng)域是什么概念？簡單來概括，就是應(yīng)用環(huán)境較惡劣，對可靠性、精度等性能指標(biāo)要求較高的各類應(yīng)用，如復(fù)雜的平臺穩(wěn)定控制，制導(dǎo)、導(dǎo)航、追蹤，無人駕駛車輛，應(yīng)急響應(yīng)導(dǎo)航，機(jī)器人，精密醫(yī)療儀器等等。針對這些應(yīng)用的運(yùn)動檢測，那些用于所謂酷炫智能手機(jī)或游戲機(jī)的消費(fèi)級運(yùn)動傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠資格的，往往需要達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時）的傳感部件。
“火災(zāi)現(xiàn)場消防人員的追蹤、微創(chuàng)手術(shù)刀的人體內(nèi)精密導(dǎo)航、隧道內(nèi)車輛精確導(dǎo)航、大型機(jī)床的探傷和修復(fù)……，高性能的戰(zhàn)術(shù)級MEMS創(chuàng)造了巨大的想象空間，將對未來的科學(xué)技術(shù)、人類社會的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”ADI公司MEMS產(chǎn)品線高級應(yīng)用工程師趙延輝在最近的一場MEMS IMU新產(chǎn)品發(fā)布會上表示。
圖1：MEMS在性能和集成度上不斷進(jìn)步，快速進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用中，包括各種極端應(yīng)用。
這場新產(chǎn)品發(fā)布會的“主角”就是ADI公司最新推出的第三代iSensor MEMS IMU（慣性測量單元）——ADIS16488戰(zhàn)術(shù)級10自由度(DoF)傳感器，以及ADIS16136戰(zhàn)術(shù)級iSensor 精密單軸數(shù)字MEMS陀螺儀，這些新產(chǎn)品系列可幫助實(shí)現(xiàn)上述對性能和可靠性具有更高要求的各種極端應(yīng)用系統(tǒng)。
在將MEMS技術(shù)與優(yōu)勢的信號調(diào)理及信號轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合方面，ADI公司集成加速度計在汽車安全氣囊的彈出控制領(lǐng)域長期占據(jù)優(yōu)勢地位，MEMS慣性傳感器的出貨量已超過2億支，在不久前又發(fā)布了業(yè)界第一顆采用MEMS技術(shù)，工作溫度可達(dá)175°C的雙軸加速度計ADXL206。目前ADI的高性能MEMS傳感器核心產(chǎn)品系列包括：iMEMS加速度計和陀螺儀、iSensor智能傳感器和慣性測量單元(IMU)、以及iMEMS模擬和數(shù)字輸出麥克風(fēng)IC。
iSensor系列產(chǎn)品可以簡單理解為一種模塊產(chǎn)品，在單個封裝中集成了iMEMS元件和其它信號調(diào)理/處理/補(bǔ)償/校準(zhǔn)元器件和電路，這些元器件均已經(jīng)過獨(dú)特而全面的工廠校準(zhǔn)，能夠在最惡劣的環(huán)境下提供無與倫比的精度，也可幫助客戶節(jié)省設(shè)計和校準(zhǔn)的復(fù)雜度、時間和成本，開發(fā)風(fēng)險大大降低，從而加速很多新應(yīng)用的研究開發(fā)。
10自由度、1/10成本，高精度、抗惡劣環(huán)境
例如，最新一代iSensor IMU ADIS16488的特點(diǎn)是在單封裝中集成了一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力傳感器，是一款完整的慣性測量系統(tǒng)，比ADI前一代10自由度產(chǎn)品在精度和性能上有很大提升，體積更小、更薄。除了重要的戰(zhàn)術(shù)級（低于10o/小時）零偏穩(wěn)定度指標(biāo)以外，在重力加速度效應(yīng)、溫度系數(shù)和帶寬等一般更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過所有其它同類陀螺儀/IMU產(chǎn)品，改善最多可達(dá)100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，這款I(lǐng)MU甚至超過傳統(tǒng)軍用級IMU，可支持高性能導(dǎo)航和平臺穩(wěn)定控制應(yīng)用的嚴(yán)格要求。
ADIS16488完全自主工作，包括所有嵌入式補(bǔ)償，通電后500 ms就能從SPI接口獲得有效數(shù)據(jù)。所有校準(zhǔn)均在工廠完成，嵌入式濾波和其它診斷由ADI Blackfin 處理器控制的可配置接口進(jìn)行調(diào)整，因而設(shè)計集成的大部分時間和風(fēng)險得以消除。
另外，該模塊還有一個表現(xiàn)出色的特別參數(shù)：振動校正(0.0001 o /s/g2)，這個參數(shù)在客戶進(jìn)行器件評估時往往不會考慮到，但系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測試時就會體現(xiàn)出來，是保持系統(tǒng)在振動環(huán)境下，依然保持理想輸出的一個決定性指標(biāo)參數(shù)，也是無法校準(zhǔn)的。
表1：ADIS16488代表了MEMS IMU在性能和魯棒性上的突破性提升。
“相比于一些傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)的高端IMU，ADIS16488在零偏穩(wěn)定度和角度隨機(jī)游走等關(guān)鍵指標(biāo)的性能與之相當(dāng)或更好，而對振動校正、線性度和帶寬等一些更重要的參數(shù)，ADIS16488能夠提供更優(yōu)越的性能，并且功耗僅為其1/4，成本僅為其1/10。”趙延輝指出。
他說，隨著ADIS16488的問世，MEMS技術(shù)得以推廣到以前從未涉足的領(lǐng)域，如智能工具/儀器儀表、遠(yuǎn)程制導(dǎo)/檢測、應(yīng)急響應(yīng)跟蹤、智能收割、嵌入式補(bǔ)償、手術(shù)導(dǎo)航和工廠自動化等。
光纖陀螺儀的終結(jié)者?
此次發(fā)布的另一款I(lǐng)MU模塊——ADIS16136是一種高性能、數(shù)字陀螺儀檢測系統(tǒng)，自治工作，無需用戶配置便可產(chǎn)生精確的速率檢測數(shù)據(jù)。其性能優(yōu)勢包括低噪聲密度、大帶寬和出色的零偏穩(wěn)定度，支持平臺控制、導(dǎo)航、機(jī)器人和醫(yī)療儀器等應(yīng)用。
零偏穩(wěn)定度是可以估算的最佳理論偏置精度，也可視為“分辨率”或“殘留偏置”。業(yè)界根據(jù)零偏穩(wěn)定度來劃分陀螺儀的級別：慣性級：<<0.1 度/小時、戰(zhàn)術(shù)級：<10 度/小時；速率級：>10 度/小時；消費(fèi)級：>100 度/小時。戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀性能顯著改善并簡化工業(yè)慣性檢測，如大幅提高GPS輔助航位零偏穩(wěn)定度推算和平臺穩(wěn)定/導(dǎo)引的性能。
不過，正像ADI趙延輝所說，“關(guān)鍵問題是在大多數(shù)應(yīng)用中，偏置穩(wěn)定度不是主要的誤差源。實(shí)際上在復(fù)雜的運(yùn)動和惡劣的環(huán)境下，設(shè)備非常容易受加速度變化（傾斜/振動）的影響?！?ADIS16136與前文提到的ADIS16488 IMU模塊的共同特點(diǎn)是除了具備戰(zhàn)術(shù)級的零偏穩(wěn)定度之外，還具備業(yè)界領(lǐng)先的振動/沖擊/溫度穩(wěn)定性。
圖2：ADIS16136與光纖陀螺儀的對比。
如圖2所示，與昂貴、易損的光纖陀螺儀相比，ADIS16136 MEMS陀螺儀的穩(wěn)定度和角度隨機(jī)游走特性與之相當(dāng)，線性度則提高2倍，啟動時間快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纖陀螺儀，ADIS16136可以說是體積非常的小，大約為1立方英寸，重量僅有25克，這將有助于許多新應(yīng)用實(shí)現(xiàn)精密角速率檢測。
和ADIS16488 一樣，ADIS16136實(shí)現(xiàn)了ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的iMEMS 技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動態(tài)性能。ADIS16136以最高2048 SPS（每秒采樣數(shù)）的速率提供數(shù)據(jù)，并提供一個均值/抽取濾波器結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化噪聲與帶寬的取舍。串行外設(shè)接口(SPI)和用戶寄存器結(jié)構(gòu)可讓用戶輕松訪問配置控制和校準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)，適合嵌入式處理器平臺。每個組成元器件均在整個溫度范圍內(nèi)經(jīng)過全面的工廠校準(zhǔn)，具有器件特定的補(bǔ)償公式，無需額外測試或校準(zhǔn)便可提供高度穩(wěn)定的傳感器輸出。對于一些系統(tǒng)，工廠校準(zhǔn)可免除系統(tǒng)級校準(zhǔn)，大大簡化操作。而380 Hz的大帶寬能很好地適應(yīng)各種復(fù)雜的穩(wěn)定應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
這兩款新產(chǎn)品都采用全新的插針式封裝，因此接口魯棒性更好，可輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定。而且均支持-40°C至+85°C的全溫工作范圍，可適應(yīng)各種惡劣工作環(huán)境。
全集成IMU簡化系統(tǒng)設(shè)計、加速實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用
ADI公司提供廣泛的接口兼容型IMU解決方案，包括這次最新推出的ADIS16488。這些IMU芯片模塊的集成度和精度不斷得到提高，體積不斷減小，而且所有復(fù)雜、關(guān)鍵的IMU校準(zhǔn)和補(bǔ)償均由ADI公司完成，因此可減少系統(tǒng)開發(fā)時間以人·年計。客戶無需購買測試設(shè)備，可以節(jié)省以10萬美元計的大筆投資。這些器件都配有簡單的串行接口，用戶訪問極為便捷。
圖3：ADI的IMU集成了高性能慣性內(nèi)核+優(yōu)化的慣性測量單元。
以圖3所示的穩(wěn)定和導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用為例，紅色線條框住的部分即體現(xiàn)了ADI新一代IMU產(chǎn)品的核心價值所在。采用這種IMU產(chǎn)品，各種工業(yè)級和極端應(yīng)用運(yùn)動檢測系統(tǒng)開發(fā)者就無需關(guān)注耗時耗力耗錢的傳感器調(diào)理、補(bǔ)償/傳感器處理以及校準(zhǔn)電路的設(shè)計，ADI已經(jīng)將所有的硬件都設(shè)計好并校準(zhǔn)好，客戶只需專注于算法與軟件的開發(fā)，從而可加速應(yīng)用的開發(fā)，促進(jìn)各類工業(yè)級和極端應(yīng)用運(yùn)動檢測市場的發(fā)展。特別地，ADIS16488集成了3軸加速度計，3軸陀螺儀，3軸磁力計和1個氣壓計共10個自由度，從而可以為用戶提供單芯片的解決方案。
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