MEMS陀螺仪和加速度计为各种应用带来更酷的新功能

2010年01月06日 11:01    贾延安
关键词: MEMS , 功能 , 加速度计 , 陀螺仪 , 应用
ADI公司的一间会议室中,Howard Wisniowski用一只手拿起比纪念邮票稍大一点的演示板,并停留在离桌面一米左右的空中。这块演示板上安装有ADI的运动传感器和相关电路。Wisniowski松开拿着这块演示板的手,使演示板落向另外一只手。

演示板刚开始自由下落,运动传感器就感测到了加速度的变化。在演示板落到Wisniowski的另一只手中之前,板子上的红色LED开始闪烁,与此同时微型变换器发出摩尔斯电码格式的SOS信号声。这种重定向到水平面的响应速度,正是消费者期望笔记本硬盘磁头组件或汽车气囊传感器所应有的性能。

适合采用CMOS工艺流程的微机电系统(MEMS)制造技术可能带来的规模经济、高灵敏度和小型尺寸能开创许多新的应用,而这只是其中的两种。

MEMS加速度计陀螺仪的工作原理

MEMS加速度计的核心,一部分位于电子电路中,一部分在于机械结构中。经过制造和封装的加速度计可以用来测量单个平面或两个/三个正交平面中的加速度。从概念上讲,加速度传感部分通常包含位于悬梁一端的"运动块"。

对处于加速状态的多个运动块和横梁系统进行偏转测量,一般是通过传感位于一组固定横梁和一组偏转横梁之间的电容变化完成的,有点类似于宏观的可变电容。由于许多容性传感器具有相对位移非线性的电容特性,因此要用传感器中的电子将信号转换为线性输出。除了电容外,也可以使用压电型传感元件。

在加速度计数据手册中标明的一些重要特征参数包括带宽和谐振频率、本底噪声、交叉轴灵敏度、漂移、线性度、动态范围、抗冲击能力和功耗。一般来说,谐振频率要比带宽上限高好几倍。带宽和灵敏度通常呈反比关系。

除了电子器件通常都有的噪声源外,由于MEMS传感器非常小,由运动块上的布朗效应产生的热噪声也是一个显著的噪声源。

线性加速度计在运输领域、特别是与气囊有关的减速传感应用领域有很大的市场。磁盘中的MEMS角加速度计同样具有很大的市场,它们可以用来补偿角度方面的冲击和振动。与线性产品不同,这些器件位于支撑弹簧重心处的重力中心,因此对角加速度非常敏感。

加速度、振动、冲击和倾斜与线性速率的运动有关。旋转是一种角速率运动。这种运动模式与其它模式有所不同,因为旋转发生时加速度可能没有变化。为理解其工作原理,请参考三轴惯性传感器图。

这个传感器的X和Y轴平行于地球表面,Z轴指向地球中心。在这个位置,Z轴的测量值是1g,X和Y轴记录的是0g。旋转这个传感器,使其只在Z轴移动,X和Y平面只是旋转,因此测得的数据仍是0g,而Z轴的测量值仍是1g。

这正是用MEMS陀螺仪传感这种旋转运动的原因。因为某些最终产品除了测量其它运动方式外必须测量旋转,陀螺仪可以集成在嵌入有多轴陀螺仪和多轴加速度计的惯性测量单元(IMU)中。

如果想寻找更多有关加速度计和陀螺仪的优秀教学视频,请访问InvenSense公司网站上的www.invensense.com/support /videolibrary.html网页(InvenSense网站上还有许多有关图像稳定性和MEMS陀螺仪等主题的白皮书)。

加速度计测量的是一个平面上的位移和振动,而MEMS陀螺仪可以测量由科里奥利力引起的位移。虽然科里奥利力与浴缸下水道流出的水无关,但在比飓风规模小的物体上确实能起作用,它在每个科学博物馆似乎都有的傅科摆这种大小适中、但远非微型的物体上得到了成功演示。

假设读者都记得傅科摆与地球的旋转有某种关系,这里仅作简要的解释。假设你有一个振动着的质量颗粒(钟摆球),它以v0 cos(0t)的谐振速度在移动,而这个速度固定为大小是0in的身体(地球)旋转速度。科里奥利效应将产生随时间变化的加速度,其频率与驱动加速度相同,但与质量颗粒的速度向量呈直角。也就是说,科里奥利加速度是一个向量积,即a(t) = [ 2Oin × v0] cos(Ot)。

现在让我们展开想象,将巨大的傅科摆换成是振动着的音叉,你可以得到一个类似的结果(图1)。音叉的正常振动模式是在一个平面中,科里奥利效应引起的位移处于另一个与之正交的平面中。将音叉缩小到MEMS尺寸,用外部信号驱动音叉,三个轴分别使用三个独立的音叉,你就能理解三轴MEMS加速度计的基本概念。

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当然,上述"基本概念"忽略了实际制造器件、从一个轴到另一个轴的交叉耦合振动、校准、热问题等等带来的挑战。我们无需使振动元件看起来像钢琴调音工具。想象一下你用一个像喇叭口或酒杯那样振动的环形结构能做的事情(图2)。目前为止在MEMS结构方面已经有大量专利,并且有许多聪明的方法能够利用半导体工艺流程来制造这些器件。

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更广泛的应用领域

一提到加速度计,人们就会想到汽车气囊应用。但事实上,由于移动和位置改变都伴随着加速度,因此MEMS加速度计经常用来探测比汽车相撞激烈程度更轻的事件。

只要设备被提起或放下,随之产生的加速度变化都能被探测到,然后产生中断,再通过中断服务把设备中的某些功能打开或关闭,或让某些部分保持正常工作,让其它部分进入待机状态。比如手持设备就可以利用这一功能关闭背光显示,在被拿起时再打开背光显示。当然,运动传感器最好要比背光消耗少得多的功率。

更具戏剧性的是,大约在一年前,我曾为第一个回应者写过一篇有关手提收音机的文章,当携带这种收音机的人停止移动一段时间时收音机能自动发出信号--例如一位救火队员在燃烧的建筑物中受了伤 (参考"P25 Handhelds Incorporate High-Velocity Human Factors Design")。或者在战场上,你不想让敌人从已死或受伤的战友身上捡走收音机,然后用它来获得战术情报,那么可以通过编程让这种收音机在允许用户使用前必须进行重新认证。

Wisniowski还介绍了能在公共场所使用的新型除颤器。这些设备可以帮助经验相对欠缺的救助人员在电子心脏刺激失效时提供心肺复苏术(CPR)。当发生这种情况时,Wisniowski表示,"一位经验欠缺的救助人员可能无法将病人的胸部压缩到位以实现有效的CPR。这时可以通过嵌入在自动体外除颤器(AED)的胸部衬垫中的加速度计测量衬垫的移动距离,从而给救助者提供正确的压缩量反馈信息。"

在《Electronic Design》杂志发表的有关能量采集文章中,最常见的应用是通过振动监视评估机械系统(如工业泵电机、有轨车轮轴轴承和高速公路桥梁)的状态。一般人员对此的解读是,使用被监视的振动能量给微控制器和网状无线节点供电,但是我很少考虑原始数据的来源。

然而,这是系统的关键部分,需要使用非常小并且带宽很宽的MEMS加速度计,才能捕获到足够准确的正常振动和异常振动数据。最后,还需要提供足够的诊断信息以实现对潜在故障发生时间的智能判断。

至此我们已经考虑了位移和振动。冲击脉冲事件是加速度的另一个来源,其最广泛应用可能是笔记本磁盘。有趣的是,在磁盘应用中,需要探测的不是冲击本身,因为发生冲击时,做一切事情都已太晚。

正如Wisniowski的"SOS"演示所暗示的那样,我们可以在冲击本身发生之前探测到表明笔记本下落的g力变化,这种变化是与撞击地板相关的破坏性冲击的先兆。在0g条件刚发生和笔记本撞击地板之间的几个毫秒内,系统完全可以让磁盘磁头处于悬停状态。

苹果的iPhone和任天堂的Wii让我们习惯于使用加速度计和陀螺仪实现手势识别,比如拍打、双击和摇动,进而激活某些功能和调节工作模式。除了使产品更酷外,提供手势输入还有其它好处。在水下照相机等产品中,无按键设计还有降低系统成本和使系统更加坚固耐用的优点。拍打接口也非常适合用于可佩戴和可植入医疗设备。

Wii 游戏控制还带来了倾斜传感功能。除了游戏控制,倾斜传感还能在工业应用中发挥作用,比如用一只手操作设备,而空出另一只手控制在崎岖道路上行进的汽车或平台。这里你要用一个三轴加速度计来探测由于重力导致的倾斜缓慢变化,并解释成往一个方向或另一个方向的扭曲或倾斜。

再看看比类似Wii的工业设备控制更加贴近实际的应用吧,有许多工作涉及倾斜传感功能,比如调节工业称重计和正确方向的压力。

另一种复杂的产品--最新的惯性测量单元(IMU)集成了一个多轴加速度计、一个多轴陀螺仪和一个多轴磁力计。ADI公司的六自由度IMU可以在医疗成像和外科手术仪器中提供高分辨率。

早期突破性的产品

在 2007年年中,ADI凭借ADIS16355 IMU取得了新的突破。这个器件组合了三轴角速率传感和三轴加速度传感功能,传感精度比市场上其它惯性传感器高50倍。此外,它还具有预校准功能,即不管处于什么温度条件下它都能提供精确的数据,因此产品设计师无需在系统代码中嵌入校准值表格。

在ADIS16355的推广阶段,全温度范围校准版在1000片批量时的价格是359美元,室温校准版的价格是275美元。ADIS16355是一个边长只有一英寸的立方体形状的器件,安装其引脚和末端有连接器的柔性电路只需很少空间。

ADIS16355的目标应用通常是车载摄像机和天线、商用航行器导航单元、机器人和修复手术(prosthetics)。另一个重要领域是在GPS信号丢失时的惯性备份导航。这个功能不仅在航空领域非常重要,而且在商业车辆编队行进和大农场中的自动收割设备中也非常有用。

ADIS16355具有14位精度,输出和控制都是通过简单的串行外设接口(SPI)完成。每个陀螺仪具有±300°/s的动态测量范围,每个加速度计有±10g的测量范围。虽然最大动态范围可达±300°/s,但这个IMU也提供±75°/s和±150°/s的范围。

每个传感器的信号调节电路有约350Hz的模拟带宽。ADIS16355提供具有可编程步长的Bartlett Window有限冲激响应(FIR)滤波器,它对所有输出数据寄存器都有额外的噪声抑制效果。

除了带校准功能的运动测量外,ADIS16355还能测量电源电压和温度,并提供12位模数转换器(ADC)辅助通道。这个输出数据在内部可更新,与用户读取速率无关。输出数据长度可以是12位或14位。

12位渐次逼近型辅助ADC使得其它系统级模拟信号的数字化成为可能。另外,0~2.5V辅助输出数模转换器(DAC)可提供12位的电平调节功能。

在 ADIS16355上市前约6个月,ADI就推出了用于工业应用的ADIS16209双轴MEMS倾角计和加速度计(参考"Tiny Dual-Axis MEMS Inclinometer Simplifies Industrial Measurements")。

2008 年底,我们见到过带14位陀螺仪的五自由度ADIS16300和六自由度ADIS16405 IMU,这些产品的特性包括:数字范围可调;±75°/s、±150°/s和±300°/s设置;三轴、14位、±5g数字加速度计;180ms响应时间 (图3)。另外,这些产品提供出厂校准过的灵敏度、偏置和轴向对齐、数字控制的偏置校准以及高达819.2samples/s的数字控制采样速率(外部时钟允许采样速率高达1200samples/s)。

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在同一时间发布的还有ADIS16209双模倾角计。它可以提供±90°的双轴水平操作,也可以提供±180°的单轴垂直操作。ADIS16209工作电压为3.3.V,通过SPI总线与外部实现通信。

在 ADIS16209发布会上,ADI宣称这个产品的尺寸仅为9.2x9.2x3.9mm,比市场上其它产品小100倍,而价格只是功能相当的竞争性产品的十分之一。前面就曾提及到,医疗是这个产品的主要应用。超声波、胸部X照相仪和X射线设备在扫描器对齐方面都需要一定的精确度和准确度。这些器件也被用于臀部和膝部外科手术。

这类医疗设备也是六自由度ADIS16405 IMU的目标应用之一,其三轴磁力计传感器可用于头部传感。据ADI公司表示,它的成本也要比竞争产品低10倍。

最新技术和产品进展

今年3月,ADI发布了ADXL346数字化三轴iMEMS智能运动传感器,这是用于便携式设备的小型吸能智能运动传感器系列产品中的一员。ADXL346的主工作电压可低至1.8V,采用3x3x0.95mm封装。此外,它能测量动态加速度(运动或冲击引起的加速度)和静态加速度(比如重力,能用作倾斜传感器)。

为节省功耗,ADXL346最多可将32组X、Y和Z轴采样数据缓冲在先入先出(FIFO)存储器中,从而使主处理器和其它大功率外设处于待机模式,直到需要时再被唤醒。带宽是可选的,范围从0.1Hz至 1,600Hz,因此可以在响应速度和电池寿命之间取得很好的折衷。功耗范围从低于150μA(1,600Hz带宽)到25μA (10Hz以下带宽)不等。

ADXL346可以测量±2/4/8/16g用户可选范围内的动态加速度,并且包含可通过简单寄存器读取的内置方向传感功能。具有用户可编程门限的特殊传感功能包括静止、拍打/双击和自由落体传感。ADXL346在1,000片批量时的单价是3.04美元。

今年早些时候,ADI还推出了ADXL345三轴加速度计,并声称与竞争对手的三轴传感器相比可节能80%。节能设计方面包括低的单节电池工作电压和与上述同样的FIFO机制。这种机制可以将对移动或加速度变化的响应任务从主处理器上卸载下来。此外,输出数据范围可在0.1Hz至3.2kHz范围内调节,因此允许便携式系统设计师为特定系统功能精确分配功率。ADXL345在1,000片批量时的单价是3.04美元。

当然,ADI并不是MEMS运动传感器的唯一制造商。飞思卡尔半导体公司提供针对移动设备设计的MMA745xL三轴数字输出加速度计。该器件支持所有方向的倾斜滚动、游戏控制、姿势识别和拍打静音等功能,此外还支持盗窃保护、自由落体传感和GPS备份应用。

意法微电子公司的LIS302DLH 16位三轴加速度计非常适合运动传感、方向识别、自由落体探测和振动监视应用(图4)。该公司称,LIS302DLH的高度仅为0.75mm,是市场上最薄的器件。LIS302DLH通过串行外设接口(SPI)总线输出最高达±8g的加速度数据。

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为弥补范围从游戏和遥指到汽车导航应用中的加速度传感器的不足,并完善摄像机摇动功能,意法微电子公司最近还推出了一系列15种单轴和多轴MEMS陀螺仪。这个系列包含30dps至6,000dps(度/秒)宽满量程范围,包括单轴(偏转)和双轴(倾斜和滚动、倾斜和偏转)器件。

这两种配置都能为每个轴同时提供两路独立的输出:一路是未经放大的输出,用于一般的角动传感;另一路是经4倍放大的输出,用于高分辨率测量。该器件的批量购买单价是2.50美元。

针对类似手持设备中的磁盘保护等应用,意法微电子公司发布了带完全模拟输出的三轴加速度计LIS352AX。这个器件的工作电压范围低至2.16V至 3.6V,对电池供电电压的变化不敏感,在宽温度范围内针对0g偏移和灵敏度具有很高的可靠性。内置自检功能使得电路板组装完成后可以验证传感器功能是否正常。该器件的批量购买单价是1.30美元。

今年3月份,从康奈尔大学独立出来的Kionix公司推出了KXTF9三轴加速度计,它有一个被称为"方向性拍打/两次拍打"的新接口。KXTF9最多能创建12条独特的拍打使能命令,供最终用途开发人员定义的功能使用。方向性拍打 /两次拍打接口能够传感出物体六个面的任一面上出现的轻轻快速拍打或连续两次拍打。

Kionix公司首席执行官Greg Galvin介绍道:"单次拍打手机表面可以激活语音邮件,或停止振铃,拍打手机左侧可激活导航功能,两次连续拍打手机底部可转向互联网访问。"其它特性包括用户可编程输出数据速率(ODR)、可选的8位或12位分辨率、用户可选的2/4/8g重力加速度范围以及具有用户可选截止频率的数字高通滤波器。 KXTF9的工作电压范围是直流1.8V至3.6V。

作者:Don Tuite
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yuhuikeji 发表于 2015-12-24 20:18:18
谢谢分享!!!!!!!!!!
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