MEMS技術(shù)+器件向極端應(yīng)用市場(chǎng)快速邁步

MEMS（微機(jī)電）技術(shù)的商用可以說(shuō)是從汽車(chē)的安全氣囊和定位陀螺儀起家，如今正快速向消費(fèi)類(lèi)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(lèi)廠(chǎng)商不斷推出革命性的創(chuàng)新產(chǎn)品，MEMS器件開(kāi)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(dòng)檢測(cè)市場(chǎng)。
極端應(yīng)用領(lǐng)域是什么概念？簡(jiǎn)單來(lái)概括，就是應(yīng)用環(huán)境較惡劣，對(duì)可靠性、精度等性能指標(biāo)要求較高的各類(lèi)應(yīng)用，如復(fù)雜的平臺(tái)穩(wěn)定控制，制導(dǎo)、導(dǎo)航、追蹤，無(wú)人駕駛車(chē)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(duì)這些應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，那些用于所謂酷炫智能手機(jī)或游戲機(jī)的消費(fèi)級(jí)運(yùn)動(dòng)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(jí)（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時(shí)）的傳感部件。

“火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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(chē)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(jí)MEMS創(chuàng)造了巨大的想象空間，將對(duì)未來(lái)的科學(xué)技術(shù)、人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！盇DI公司MEMS產(chǎn)品線(xiàn)高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝在最近的一場(chǎng)MEMS IMU新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)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(chǎng)新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)的“主角”就是ADI公司最新推出的第三代iSensor MEMS IMU（慣性測(cè)量單元）——ADIS16488戰(zhàn)術(shù)級(jí)10自由度(DoF)傳感器，以及ADIS16136戰(zhàn)術(shù)級(jí)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(duì)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(shì)的信號(hào)調(diào)理及信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合方面，ADI公司集成加速度計(jì)在汽車(chē)安全氣囊的彈出控制領(lǐng)域長(zhǎng)期占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，MEMS慣性傳感器的出貨量已超過(guò)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(jì)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(jì)和陀螺儀、iSensor智能傳感器和慣性測(cè)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(jiǎn)單理解為一種模塊產(chǎn)品，在單個(gè)封裝中集成了iMEMS元件和其它信號(hào)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(guò)獨(dú)特而全面的工廠(chǎng)校準(zhǔn)，能夠在最?lèi)毫拥沫h(huán)境下提供無(wú)與倫比的精度，也可幫助客戶(hù)節(jié)省設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)的復(fù)雜度、時(shí)間和成本，開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大大降低，從而加速很多新應(yīng)用的研究開(kāi)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(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)、一個(gè)三軸磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器，是一款完整的慣性測(cè)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(jí)（低于10o/小時(shí)）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(guò)所有其它同類(lèi)陀螺儀/IMU產(chǎn)品，改善最多可達(dá)100倍。此外，在對(duì)線(xiàn)性加速度和振動(dòng)加速度抑制方面，這款I(lǐng)MU甚至超過(guò)傳統(tǒng)軍用級(jí)IMU，可支持高性能導(dǎo)航和平臺(tái)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(chǎng)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(jì)集成的大部分時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)得以消除。

另外，該模塊還有一個(gè)表現(xiàn)出色的特別參數(shù)：振動(dòng)校正(0.0001 o /s/g2)，這個(gè)參數(shù)在客戶(hù)進(jìn)行器件評(píng)估時(shí)往往不會(huì)考慮到，但系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試時(shí)就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)，是保持系統(tǒng)在振動(dòng)環(huán)境下，依然保持理想輸出的一個(gè)決定性指標(biāo)參數(shù)，也是無(wú)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(duì)振動(dòng)校正、線(xiàn)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?！壁w延輝指出。
他說(shuō)，隨著ADIS16488的問(wèn)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(cè)、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(chǎng)自動(dòng)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(cè)系統(tǒng)，自治工作，無(wú)需用戶(hù)配置便可產(chǎn)生精確的速率檢測(cè)數(shù)據(jù)。其性能優(yōu)勢(shì)包括低噪聲密度、大帶寬和出色的零偏穩(wěn)定度，支持平臺(tái)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(lái)劃分陀螺儀的級(jí)別：慣性級(jí)：<<0.1 度/小時(shí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)：<10 度/小時(shí)；速率級(jí)：>10 度/小時(shí)；消費(fèi)級(jí)：>100 度/小時(shí)。戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺儀性能顯著改善并簡(jiǎn)化工業(yè)慣性檢測(cè)，如大幅提高GPS輔助航位零偏穩(wěn)定度推算和平臺(tái)穩(wěn)定/導(dǎo)引的性能。

不過(guò)，正像ADI趙延輝所說(shuō)，“關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)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(dòng)）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(jí)的零偏穩(wěn)定度之外，還具備業(yè)界領(lǐng)先的振動(dòng)/沖擊/溫度穩(wěn)定性。


圖2：ADIS16136與光纖陀螺儀的對(duì)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(xiàn)性度則提高2倍，啟動(dòng)時(shí)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(shuō)是體積非常的小，大約為1立方英寸，重量?jī)H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(cè)。

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(hào)調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供優(yōu)化的動(dòng)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(gè)均值/抽取濾波器結(jié)構(gòu)，以?xún)?yōu)化噪聲與帶寬的取舍。串行外設(shè)接口(SPI)和用戶(hù)寄存器結(jié)構(gòu)可讓用戶(hù)輕松訪(fǎng)問(wèn)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(tái)。每個(gè)組成元器件均在整個(gè)溫度范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)全面的工廠(chǎng)校準(zhǔn)，具有器件特定的補(bǔ)償公式，無(wú)需額外測(cè)試或校準(zhǔn)便可提供高度穩(wěn)定的傳感器輸出。對(duì)于一些系統(tǒng)，工廠(chǎng)校準(zhǔn)可免除系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)，大大簡(jiǎn)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(kāi)發(fā)時(shí)間以人·年計(jì)?？蛻?hù)無(wú)需購(gòu)買(mǎi)測(cè)試設(shè)備，可以節(jié)省以10萬(wàn)美元計(jì)的大筆投資。這些器件都配有簡(jiǎn)單的串行接口，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)極為便捷。


圖3：ADI的IMU集成了高性能慣性?xún)?nèi)核+優(yōu)化的慣性測(cè)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(xiàn)條框住的部分即體現(xiàn)了ADI新一代IMU產(chǎn)品的核心價(jià)值所在。采用這種IMU產(chǎn)品，各種工業(yè)級(jí)和極端應(yīng)用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者就無(wú)需關(guān)注耗時(shí)耗力耗錢(qián)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(jì)，ADI已經(jīng)將所有的硬件都設(shè)計(jì)好并校準(zhǔn)好，客戶(hù)只需專(zhuān)注于算法與軟件的開(kāi)發(fā)，從而可加速應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)各類(lèi)工業(yè)級(jí)和極端應(yīng)用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)市場(chǎng)的發(fā)展。特別地，ADIS16488集成了3軸加速度計(jì)，3軸陀螺儀，3軸磁力計(jì)和1個(gè)氣壓計(jì)共10個(gè)自由度，從而可以為用戶(hù)提供單芯片的解決方案。