利用MEMS慣性傳感器改善其系統(tǒng)性能和功能控制

最近的傳感器技術發(fā)展使得機器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設計實現(xiàn)了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設備和工業(yè)車輛導航等。這種傳感器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。

然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業(yè)應用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，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)的時序和功耗預算內(nèi)做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經(jīng)驗，并且遵循良好的設計規(guī)范。

了解問題

來自慣性傳感器的信息經(jīng)過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出(見圖1)。每種類型的運動都涉及到一系列應用相關的復雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設備對這些應用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應用的核心任務，在最簡單的范例中，機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)的完整運動動力學特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預期。

圖1 當今的慣性傳感器能夠檢測多種運動類型

如果系統(tǒng)的運動相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術決策取決于響應時間、沖擊和震動、尺寸、整個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動(如旋轉(zhuǎn)和加速度等)，而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結合在一起。

一旦知道正確的傳感器類型和技術后，挑戰(zhàn)便轉(zhuǎn)移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境(溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量)的反應。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個傳感器都是獨一無二的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅(qū)使許多設計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。線性速率抑或角速率

慣性傳感器有多種類型。MEMS(微機電系統(tǒng))傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經(jīng)使眾多應用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器(加速度計)徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本電腦硬盤保護到游戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現(xiàn)。

根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結構各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅(qū)動到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運動，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個外部極限處(與擾動運動正交)是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結構來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調(diào)級，產(chǎn)生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個專有數(shù)字校準電路。

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

調(diào)理和處理

在工業(yè)市場上，諸如震動分析、平臺校正、一般運動控制之類的應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元件是直接嵌入到現(xiàn)有設備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應用范例包括：

● 機器自動化：通過提高位置檢測精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設置的運動相關聯(lián)，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、有效。

● 工業(yè)機械的狀態(tài)監(jiān)控：通過將傳感器更深地嵌入機械內(nèi)部，并且借由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實用的價值。

● 移動通信和監(jiān)控：無論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實現(xiàn)穩(wěn)定(天線和相機)和定向?qū)Ш?利用GPS和其他傳感器進行航位推算)。

工業(yè)檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助I/O功能等，來支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復雜的情況下，還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限于一個或兩個軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢