MEMS慣性傳感器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李明

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 712000）

傳感器技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到了前所未有的進(jìn)步。就慣性傳感器而言，其應(yīng)用前景廣闊，能夠改善系統(tǒng)性能或功能的領(lǐng)域包括：低端消費(fèi)電子類產(chǎn)品、中端工業(yè)級(jí)及汽車級(jí)產(chǎn)品、高端軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品。這種傳感器提供的運(yùn)動(dòng)信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。它是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，目前MEMS加工技術(shù)在傳感器制作領(lǐng)域有很多應(yīng)用，MEMS慣性傳感器是一個(gè)不錯(cuò)的產(chǎn)品。從最初MEMS線性加速度傳感器徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)開(kāi)始，從筆記本電腦硬盤保護(hù)到航天控制器中更為直觀的運(yùn)動(dòng)捕捉，各種獨(dú)特的功能和應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

MEMS慣性傳感器包括加速度計(jì)（或加速度傳感計(jì)）、角速度傳感器（陀螺）、單/雙/三軸組合IMU（慣性測(cè)量單元）和AHRS（包括磁傳感器的航姿參考系統(tǒng)）[1]。

對(duì)工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的信息，然后在系統(tǒng)的時(shí)序和功耗預(yù)算內(nèi)做出反應(yīng)，工程師必須擁有多種技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且遵循良好的設(shè)計(jì)規(guī)范。尤其是許多工業(yè)應(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動(dòng)、空間限制和其他因素的影響。

工業(yè)控制應(yīng)用是一個(gè)很好的例子，MEMS傳感器對(duì)某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設(shè)備有著較好的傾斜或角度檢測(cè)常常是此類應(yīng)用的核心任務(wù)，在最簡(jiǎn)單的范例中，機(jī)械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統(tǒng)的完整運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。

如果系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)而言為靜態(tài)，簡(jiǎn)單的角度傳感器可能就足夠了，但實(shí)際的技術(shù)決策取決于響應(yīng)時(shí)間、沖擊和震動(dòng)、尺寸、整個(gè)使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統(tǒng)涉及到多種類型的運(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)和加速度等），而且往往在多個(gè)軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結(jié)合在一起。

1 線性速率和角速率

根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結(jié)構(gòu)也可提供角速率檢測(cè)。兩個(gè)多晶硅檢測(cè)結(jié)構(gòu)各含一個(gè)“擾動(dòng)框架”，通過(guò)靜電將擾動(dòng)框架驅(qū)動(dòng)到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運(yùn)動(dòng)，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個(gè)外部極限處（與擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)正交）是可動(dòng)指，放在固定指之間，形成一個(gè)容性撿拾結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)科氏運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，可動(dòng)指的位置變化通過(guò)電容變化進(jìn)行檢測(cè)，由此得到的信號(hào)送入一系列增益和解調(diào)級(jí)，產(chǎn)生電速率信號(hào)輸出。某些情況下，該信號(hào)還會(huì)經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個(gè)專有數(shù)字校準(zhǔn)電路。

傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準(zhǔn)由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。

商業(yè)級(jí)的MEMS慣性傳感器主要是用于消費(fèi)電子類，主要要求是單價(jià)低、尺寸小、溫度范圍窄、因而精度要求低的功能性產(chǎn)品。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測(cè)量范圍1～10～50 g，分辨率 2～10 mg，陀螺一般量程在±300°/s，零偏在500°/h～1 000°/h，因此有些公司的產(chǎn)品不給出零偏指標(biāo)或給出 0.1°/s～0.5°/s。

工業(yè)級(jí)的MEMS慣性傳感器大多以模塊形式出現(xiàn)，對(duì)于應(yīng)用于工業(yè)級(jí)芯片級(jí)產(chǎn)品，還必須進(jìn)行處理，包括軟件和硬件電路，以及對(duì)不同工業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性，大多數(shù)要求價(jià)格適中，精度一定優(yōu)于消費(fèi)類應(yīng)用加速度傳感器的量程選擇比較寬 1～500 g，分辨率 1～3 mg，陀螺量程大多 250°/s 以內(nèi)，零偏在 50°/h～200°/h，汽車級(jí)可作為一個(gè)工業(yè)應(yīng)用的特殊產(chǎn)品，對(duì)其可靠性要求高，同時(shí)由于需求數(shù)量大，和一般工業(yè)要求不一樣的是單價(jià)要低。

軍工級(jí)或宇航級(jí)的MEMS慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬 （-45°～125°），某些兵器產(chǎn)品要求抗沖擊能力強(qiáng)（10 000～20 000 g）尺寸要比光纖和機(jī)械類產(chǎn)品要小。加速度傳感器量程范圍寬1～5 000 g，分辨率要0.1～1 mg，甚至更高。陀螺量程要求范圍寬 20°/s～1 000°/s， 頻響高，50～1 000 Hz，零偏穩(wěn)定性為 1°/h～50°/h[3]。

2 調(diào)理和處理

在工業(yè)市場(chǎng)上，諸如震動(dòng)分析、平臺(tái)校正、一般運(yùn)動(dòng)控制之類的應(yīng)用都需要高集成度和高可靠度的解決方案，而且在許多情況下檢測(cè)元件是直接嵌入到現(xiàn)有設(shè)備中。

來(lái)自MEMS慣性傳感器的信息經(jīng)過(guò)處理和積分后，可以提供許多不同類型的位置、方向和運(yùn)動(dòng)的輸出（見(jiàn)圖1）。每種類型的運(yùn)動(dòng)都涉及到一系列應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜因素，對(duì)此必須加以了解。

一旦確定傳感器類型和技術(shù)后，就得了解和補(bǔ)償傳感器對(duì)環(huán)境（溫度、震動(dòng)、沖擊、安裝位置、時(shí)間和其他變量）的反應(yīng)。環(huán)境補(bǔ)償涉及到額外的電路、測(cè)試、校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個(gè)傳感器都是獨(dú)一無(wú)二的，因此這又會(huì)帶來(lái)補(bǔ)償不足或過(guò)度的額外風(fēng)險(xiǎn)，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點(diǎn)驅(qū)使許多設(shè)計(jì)工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運(yùn)用和實(shí)施過(guò)程中的障礙。

圖1 MEMS慣性傳感器能夠檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)類型Fig.1 Movement type MEMS inertial sensors can detect

此外，還必須提供足夠的控制、校準(zhǔn)和編程功能，使器件真正獨(dú)立自足。一些應(yīng)用范例：

消費(fèi)電子產(chǎn)品，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、MP3等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。這些產(chǎn)品的制造商要求其整機(jī)必須能通過(guò)1.2 m或1.3 m的自由跌落測(cè)試，從1.2 m自由跌落至大理石地面將對(duì)整機(jī)產(chǎn)生大約50 000 g的沖擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩沖作用，施加到加速度計(jì)上的沖擊加速度也將超過(guò)5 000 g[6]。為了抵御這種沖擊，制造商要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品中設(shè)計(jì)緩沖系統(tǒng)，并采用加速度傳感器在第一時(shí)間獲取跌落信息，同時(shí)在第一時(shí)間將怕震電子器件的電源關(guān)閉，并予以保護(hù)，如高速旋轉(zhuǎn)的硬盤、光碟、錄像帶等均可使它們能夠快速地進(jìn)入暫停狀態(tài)。

汽車領(lǐng)域里對(duì)輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)（TPMS）主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。為了強(qiáng)化胎壓檢測(cè)功能，現(xiàn)在的TPMS傳感器模塊內(nèi)部除了壓力傳感器、溫度傳感器還增加了1-2個(gè)加速度傳感器和電壓檢測(cè)，不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車開(kāi)動(dòng)中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且還能實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機(jī)、自動(dòng)喚醒、節(jié)省電能等功能[2]。

軍工級(jí)的產(chǎn)品一般應(yīng)用于條件惡劣的環(huán)境下，例如衛(wèi)星上的MEMS慣性傳感器，慣性姿態(tài)測(cè)量的基本原理是將速率陀螺測(cè)得的角速率信號(hào)積分以得到角度（姿態(tài)角），利用重力場(chǎng)和地磁場(chǎng)的水平姿態(tài)信息和航向信息 （用電子羅盤測(cè)量）作為姿態(tài)參考信息，并采用Kalman濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)與陀螺信號(hào)的數(shù)據(jù)融合，從而實(shí)時(shí)修正陀螺信號(hào)的漂移[3]。

工業(yè)檢測(cè)市場(chǎng)異常紛繁多樣，必須通過(guò)集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項(xiàng)和專用輔助I/O功能等，來(lái)支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復(fù)雜的情況下，還需采用多個(gè)傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來(lái)很簡(jiǎn)單的慣性運(yùn)動(dòng)，例如僅限于一個(gè)或兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，也可能需同時(shí)采用加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)來(lái)補(bǔ)償重力、震動(dòng)及其他不符常規(guī)的行為和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時(shí)候需要對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，即使無(wú)須補(bǔ)償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標(biāo)存在許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，這使得上述問(wèn)題的解決更加困難。當(dāng)指定角速率傳感器要求時(shí)，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時(shí)間發(fā)生的偏置估算），消費(fèi)級(jí)陀螺儀通常不會(huì)規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無(wú)意義。例如，假設(shè)線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90°（1 G）的簡(jiǎn)單情況下，這將給 0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計(jì)通常與陀螺儀一起使用，以便檢測(cè)重力影響，并且提供必要的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程[4]。

面向具體應(yīng)用的解決方案將適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c必要的信號(hào)處理結(jié)合在一起，如果具備高性價(jià)比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過(guò)去所面臨的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，需要深入了解傳感器靈敏度和應(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)計(jì)劃可以針對(duì)影響最大的因素進(jìn)行定制，從而減少測(cè)試時(shí)間和補(bǔ)償算法開(kāi)銷。

3 加速度、震動(dòng)分析

在一些應(yīng)用案例中，相對(duì)簡(jiǎn)單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應(yīng)用中（例如，通過(guò)震動(dòng)分析進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當(dāng)多的處理過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)所需的輸出[5]。

圖2 ADIS16227功能框圖Fig.2 ADIS16227 functional block diagram

圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的一個(gè)高集成度器件示例是ADIS16227（如圖2所示），它是一款完全自治的頻域震動(dòng)監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對(duì)簡(jiǎn)單的g/mV輸出，而是提供特定應(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各震動(dòng)源并進(jìn)行歸類，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

能夠檢測(cè)和了解運(yùn)動(dòng)可能對(duì)幾乎所有設(shè)想到的領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，并利用該信息提高性能（響應(yīng)時(shí)間、精度、工作速度等），增強(qiáng)安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險(xiǎn)情況下關(guān)機(jī)），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運(yùn)動(dòng)才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來(lái)檢測(cè)不需要的運(yùn)動(dòng)[6]。

這些特性或性能升級(jí)往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無(wú)疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員不是運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面的專家，因此，在決定是否進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，完全集成和校準(zhǔn)的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

MEMS傳感器的各方面特性表明其技術(shù)的發(fā)展中心已從軍工級(jí)向商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)變，是否能設(shè)置好應(yīng)用時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)才是今后應(yīng)用時(shí)的重點(diǎn)。不同種類的MEMS傳感器的的適用條件才是首要考慮的因素。本文小結(jié)了一些MEMS傳感器的使用范例，在具體應(yīng)用中還要使用者按照實(shí)際情況具體調(diào)整。

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