裝配MEMS慣性傳感器的實用方法

　　引言

　　兒童和狗能夠毫不費力地辨別方向以及控制體操動作。有些人認為這就像“小孩游戲”一樣簡單，直到他們試圖使機器人模仿這種本領。人類定向系統(tǒng)的復雜性不可思議，當我們在地面上時其表現(xiàn)非常出色。相反，在飛機上時，我們則處于一種不熟悉的三維環(huán)境下，再加上缺少視覺定向參考，就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙有關，其中90%是致命的(參考文獻1)。

　　微機電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器的設計在本質上對運動非常敏感，可有效檢測和處理線性加速、磁航向、海拔和角速率信息。為充分利用慣性傳感器的性能潛力，設計者必須熟悉總體機械系統(tǒng)，密切關注應用中的運動源和諧振。

　　本文介紹了MEMS慣性傳感器(例如陀螺儀和加速計)如何幫助人或機器克服空間定向障礙。文章介紹了外力和運動對系統(tǒng)工作的影響，以及元件布局和安裝條件(空間關系)對MEMS慣性傳感器性能的直接影響。系統(tǒng)配置各有不同(例如電路板尺寸、材質、安裝方法)，設計者需要根據(jù)具體應用設計特定的方案。文章還介紹了如何檢測并減少錯誤的慣性信號。對于實際環(huán)境中出現(xiàn)有害的移動信號和系統(tǒng)共振的情況，文章給出增強傳感器系統(tǒng)工作的實用建議。

　　人類的平衡

　　本文首先從討論平衡開始，以人類耳朵為例。圖1中的耳蝸是聽覺器官。耳膜通過我們身體中一些最小的骨骼振動耳蝸。耳蝸長有毫毛或纖毛，并且充滿液體。當耳蝸移動時，液體由于慣性的原因并不移動。纖毛感測這種運動差異，并將神經(jīng)脈沖傳輸至我們的腦部，表現(xiàn)為聲音。

　　圖1. 人體平衡和聽力是內(nèi)耳中復雜平衡器官的一部分

　　人耳也包含用于平衡的運動檢測系統(tǒng)。三個半規(guī)管的作用類似于相互垂直的陀螺儀，感測并將脈沖信號送至腦部，表示人的平衡狀態(tài)。不幸的是，我們感測運動的方式存在局限性。

　　如果運動小于2度每秒時，我們將感測不到;如果穩(wěn)定運動的時間超過20至25秒，我們則會停止感測運動。這種人類局限性會引起錯亂。在內(nèi)耳中存在其他兩個感覺器官：橢圓囊感測線性加速度，球囊感測重力。耳朵中的全部5個感覺器官向腦部傳送身體方位和運動信息，幫助我們平衡。這和眼睛一起，幫助我們維持平衡，并且在頭部運動或身體旋轉時使我們的眼睛盯住目標。

　　飛機中的飛行員與空間定向

　　飛行員都知道不要靠直覺(即不依賴于內(nèi)部感觀)飛行，而是要依賴于飛行儀表。這非常難以掌握，尤其在緊急和恐慌的情況下。

　　根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的信息，飛行員受一種稱為“墓地盤旋”的常見錯覺影響。這與有意識或無意識長時間傾斜轉彎后恢復水平飛行有關。例如，當飛行員開始傾斜向左轉彎時，最初會感覺到在相同方向的轉彎;如果繼續(xù)向左轉彎(約20秒或更長)，飛行員就會覺得飛機不再向左轉彎。此時，如果飛行員試圖將機翼調整水平，這一動作將會使其感覺到飛機正在向相反的方向(向右)轉彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉彎的錯覺(會非常強烈)，他將試圖糾正右轉的感覺，從而重新進入最初的左轉。不幸的是，發(fā)生這一切時，飛機仍在左轉，并正在下降。正在轉彎時拉起控制桿并增加動力不是一個好主意--只能使飛機更向左轉。如果飛行員沒有認識到錯覺，未能使機翼水平，飛機將繼續(xù)左轉并降低高度，直到撞擊地面(參考文獻2)。

　　問題是MEMS陀螺儀和加速計能夠幫助飛行員克服空間定向障礙嗎?

　　MEMS慣性傳感器是解決之道

　　人體會受到欺騙，并且在有些情況下必須依賴于外部幫助才能實現(xiàn)良好平衡。由于人體容易受空間定向障礙的影響，MEMS慣性傳感器提供了一套解決方案。可利用安裝正確的慣性傳感器建立慣性坐標系參考，幫助用于判斷方向和/或運動。利用這些器件可避免錯誤感觀隱患。

　　為確保慣性傳感器工作的可靠性，必須將其正確安裝和定向。對于裝配慣性傳感器，有一套良好的設計實踐，只要應用得當，可形成高性能系統(tǒng)。

　　裝配MEMS慣性傳感器的實用方法

　　從一開始就理解基本原理至關重要：發(fā)生振動時，慣性傳感器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項。因此，慣性傳感器如何安裝、安裝條件，以及其放置位置/方向，均會影響總體機械系統(tǒng)特性。簡而言之，如果設計考慮不周，發(fā)生運動時慣性信號性能將下降。

　　注意：也強烈建議分析總機械系統(tǒng)及其對慣性傳感器性能的影響。