MEMS技術(shù)+器件向極端應用市場快速邁步
[導讀]MEMS（微機電）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，如今正快速向消費類電子設備、工業(yè)、醫(yī)學、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，如今正快速向消費類電子設備、工業(yè)、醫(yī)學、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用領域運動檢測市場。
極端應用領域是什么概念？簡單來概括，就是應用環(huán)境較惡劣，對可靠性、精度等性能指標要求較高的各類應用，如復雜的平臺穩(wěn)定控制，制導、導航、追蹤，無人駕駛車輛，應急響應導航，機器人，精密醫(yī)療儀器等等。針對這些應用的運動檢測，那些用于所謂酷炫智能手機或游戲機的消費級運動傳感器是遠遠不夠資格的，往往需要達到戰(zhàn)術(shù)級（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時）的傳感部件。
“火災現(xiàn)場消防人員的追蹤、微創(chuàng)手術(shù)刀的人體內(nèi)精密導航、隧道內(nèi)車輛精確導航、大型機床的探傷和修復……，高性能的戰(zhàn)術(shù)級MEMS創(chuàng)造了巨大的想象空間，將對未來的科學技術(shù)、人類社會的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠的影響?！盇DI公司MEMS產(chǎn)品線高級應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步，快速進入更廣泛的應用中，包括各種極端應用。
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)品系列可幫助實現(xiàn)上述對性能和可靠性具有更高要求的各種極端應用系統(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/補償/校準元器件和電路，這些元器件均已經(jīng)過獨特而全面的工廠校準，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)省設計和校準的復雜度、時間和成本，開發(fā)風險大大降低，從而加速很多新應用的研究開發(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)定度指標以外，在重力加速度效應、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100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，這款IMU甚至超過傳統(tǒng)軍用級IMU，可支持高性能導航和平臺穩(wěn)定控制應用的嚴格要求。
ADIS16488完全自主工作，包括所有嵌入式補償，通電后500 ms就能從SPI接口獲得有效數(shù)據(jù)。所有校準均在工廠完成，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行調(diào)整，因而設計集成的大部分時間和風險得以消除。
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)在客戶進行器件評估時往往不會考慮到，但系統(tǒng)實際應用測試時就會體現(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參數(shù)，也是無法校準的。
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)方式實現(xiàn)的高端IMU，ADIS16488在零偏穩(wěn)定度和角度隨機游走等關(guān)鍵指標的性能與之相當或更好，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域，如智能工具/儀器儀表、遠程制導/檢測、應急響應跟蹤、智能收割、嵌入式補償、手術(shù)導航和工廠自動化等。
光纖陀螺儀的終結(jié)者?
此次發(fā)布的另一款IMU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、導航、機器人和醫(yī)療儀器等應用。
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)應用中，偏置穩(wěn)定度不是主要的誤差源。實際上在復雜的運動和惡劣的環(huán)境下，設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)定度和角度隨機游走特性與之相當，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用實現(xiàn)精密角速率檢測。
和ADIS16488 一樣，ADIS16136實現(xiàn)了ADI公司業(yè)界領先的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，具有器件特定的補償公式，無需額外測試或校準便可提供高度穩(wěn)定的傳感器輸出。對于一些系統(tǒng)，工廠校準可免除系統(tǒng)級校準，大大簡化操作。而380 Hz的大帶寬能很好地適應各種復雜的穩(wěn)定應用。[!--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，可輕松實現(xiàn)機械固定。而且均支持-40°C至+85°C的全溫工作范圍，可適應各種惡劣工作環(huán)境。
全集成IMU簡化系統(tǒng)設計、加速實現(xiàn)新應用
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，而且所有復雜、關(guān)鍵的IMU校準和補償均由ADI公司完成，因此可減少系統(tǒng)開發(fā)時間以人·年計?？蛻魺o需購買測試設備，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)定和導航系統(tǒng)應用為例，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)級和極端應用運動檢測系統(tǒng)開發(fā)者就無需關(guān)注耗時耗力耗錢的傳感器調(diào)理、補償/傳感器處理以及校準電路的設計，ADI已經(jīng)將所有的硬件都設計好并校準好，客戶只需專注于算法與軟件的開發(fā)，從而可加速應用的開發(fā)，促進各類工業(yè)級和極端應用運動檢測市場的發(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。
極端應用領域是什么概念？簡單來概括，就是應用環(huán)境較惡劣，對可靠性、精度等性能指標要求較高的各類應用，如復雜的平臺穩(wěn)定控制，制導、導航、追蹤，無人駕駛車輛，應急響應導航，機器人，精密醫(yī)療儀器等等。針對這些應用的運動檢測，那些用于所謂酷炫智能手機或游戲機的消費級運動傳感器是遠遠不夠資格的，往往需要達到戰(zhàn)術(shù)級（零偏穩(wěn)定度低于10o/小時）的傳感部件。
“火災現(xiàn)場消防人員的追蹤、微創(chuàng)手術(shù)刀的人體內(nèi)精密導航、隧道內(nèi)車輛精確導航、大型機床的探傷和修復……，高性能的戰(zhàn)術(shù)級MEMS創(chuàng)造了巨大的想象空間，將對未來的科學技術(shù)、人類社會的生產(chǎn)生活產(chǎn)生深遠的影響?！盇DI公司MEMS產(chǎn)品線高級應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步，快速進入更廣泛的應用中，包括各種極端應用。
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)品系列可幫助實現(xiàn)上述對性能和可靠性具有更高要求的各種極端應用系統(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/補償/校準元器件和電路，這些元器件均已經(jīng)過獨特而全面的工廠校準，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)省設計和校準的復雜度、時間和成本，開發(fā)風險大大降低，從而加速很多新應用的研究開發(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)定度指標以外，在重力加速度效應、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100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，這款IMU甚至超過傳統(tǒng)軍用級IMU，可支持高性能導航和平臺穩(wěn)定控制應用的嚴格要求。
ADIS16488完全自主工作，包括所有嵌入式補償，通電后500 ms就能從SPI接口獲得有效數(shù)據(jù)。所有校準均在工廠完成，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行調(diào)整，因而設計集成的大部分時間和風險得以消除。
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)在客戶進行器件評估時往往不會考慮到，但系統(tǒng)實際應用測試時就會體現(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參數(shù)，也是無法校準的。
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)方式實現(xiàn)的高端IMU，ADIS16488在零偏穩(wěn)定度和角度隨機游走等關(guān)鍵指標的性能與之相當或更好，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域，如智能工具/儀器儀表、遠程制導/檢測、應急響應跟蹤、智能收割、嵌入式補償、手術(shù)導航和工廠自動化等。
光纖陀螺儀的終結(jié)者?
此次發(fā)布的另一款IMU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、導航、機器人和醫(yī)療儀器等應用。
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)應用中，偏置穩(wěn)定度不是主要的誤差源。實際上在復雜的運動和惡劣的環(huán)境下，設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)定度和角度隨機游走特性與之相當，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用實現(xiàn)精密角速率檢測。
和ADIS16488 一樣，ADIS16136實現(xiàn)了ADI公司業(yè)界領先的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，具有器件特定的補償公式，無需額外測試或校準便可提供高度穩(wěn)定的傳感器輸出。對于一些系統(tǒng)，工廠校準可免除系統(tǒng)級校準，大大簡化操作。而380 Hz的大帶寬能很好地適應各種復雜的穩(wěn)定應用。[!--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，可輕松實現(xiàn)機械固定。而且均支持-40°C至+85°C的全溫工作范圍，可適應各種惡劣工作環(huán)境。
全集成IMU簡化系統(tǒng)設計、加速實現(xiàn)新應用
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，而且所有復雜、關(guān)鍵的IMU校準和補償均由ADI公司完成，因此可減少系統(tǒng)開發(fā)時間以人·年計?？蛻魺o需購買測試設備，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)定和導航系統(tǒng)應用為例，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)級和極端應用運動檢測系統(tǒng)開發(fā)者就無需關(guān)注耗時耗力耗錢的傳感器調(diào)理、補償/傳感器處理以及校準電路的設計，ADI已經(jīng)將所有的硬件都設計好并校準好，客戶只需專注于算法與軟件的開發(fā)，從而可加速應用的開發(fā)，促進各類工業(yè)級和極端應用運動檢測市場的發(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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