MEMS技术+器件向极端应用市场快速迈步

MEMS（微机电）技术的商用可以说是从汽车的安全气囊和定位陀螺仪起家，如今正快速向消费类电子设备、工业、医学、航空航海、农业等各行各业渗透，而随着ADI这类厂商不断推出革命性的创新产品，MEMS器件开始蚕食以往昂贵的传统技术部件所占据或者以往尚处于概念阶段的极端应用领域运动检测市场。
极端应用领域是什么概念？简单来概括，就是应用环境较恶劣，对可靠性、精度等性能指标要求较高的各类应用，如复杂的平台稳定控制，制导、导航、追踪，无人驾驶车辆，应急响应导航，机器人，精密医疗仪器等等。针对这些应用的运动检测，那些用于所谓酷炫智能手机或游戏机的消费级运动传感器是远远不够资格的，往往需要达到战术级（零偏稳定度低于10o/小时）的传感部件。

“火灾现场消防人员的追踪、微创手术刀的人体内精密导航、隧道内车辆精确导航、大型机床的探伤和修复……，高性能的战术级MEMS创造了巨大的想象空间，将对未来的科学技术、人类社会的生产生活产生深远的影响。”ADI公司MEMS产品线高级应用工程师赵延辉在最近的一场MEMS IMU新产品发布会上表示。


图1：MEMS在性能和集成度上不断进步，快速进入更广泛的应用中，包括各种极端应用。

这场新产品发布会的“主角”就是ADI公司最新推出的第三代iSensor MEMS IMU（惯性测量单元）——ADIS16488战术级10自由度(DoF)传感器，以及ADIS16136战术级iSensor 精密单轴数字MEMS陀螺仪，这些新产品系列可帮助实现上述对性能和可靠性具有更高要求的各种极端应用系统。

在将MEMS技术与优势的信号调理及信号转换技术结合方面，ADI公司集成加速度计在汽车安全气囊的弹出控制领域长期占据优势地位，MEMS惯性传感器的出货量已超过2亿支，在不久前又发布了业界第一颗采用MEMS技术，工作温度可达175°C的双轴加速度计ADXL206。目前ADI的高性能MEMS传感器核心产品系列包括：iMEMS加速度计和陀螺仪、iSensor智能传感器和惯性测量单元(IMU)、以及iMEMS模拟和数字输出麦克风IC。

iSensor系列产品可以简单理解为一种模块产品，在单个封装中集成了iMEMS元件和其它信号调理/处理/补偿/校准元器件和电路，这些元器件均已经过独特而全面的工厂校准，能够在最恶劣的环境下提供无与伦比的精度，也可帮助客户节省设计和校准的复杂度、时间和成本，开发风险大大降低，从而加速很多新应用的研究开发。

10自由度、1/10成本，高精度、抗恶劣环境

例如，最新一代iSensor IMU ADIS16488的特点是在单封装中集成了一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力传感器，是一款完整的惯性测量系统，比ADI前一代10自由度产品在精度和性能上有很大提升，体积更小、更薄。除了重要的战术级（低于10o/小时）零偏稳定度指标以外，在重力加速度效应、温度系数和带宽等一般更重要的特性方面，ADIS16488同样超过所有其它同类陀螺仪/IMU产品，改善最多可达100倍。此外，在对线性加速度和振动加速度抑制方面，这款IMU甚至超过传统军用级IMU，可支持高性能导航和平台稳定控制应用的严格要求。

ADIS16488完全自主工作，包括所有嵌入式补偿，通电后500 ms就能从SPI接口获得有效数据。所有校准均在工厂完成，嵌入式滤波和其它诊断由ADI Blackfin 处理器控制的可配置接口进行调整，因而设计集成的大部分时间和风险得以消除。

另外，该模块还有一个表现出色的特别参数：振动校正(0.0001 o /s/g2)，这个参数在客户进行器件评估时往往不会考虑到，但系统实际应用测试时就会体现出来，是保持系统在振动环境下，依然保持理想输出的一个决定性指标参数，也是无法校准的。


表1：ADIS16488代表了MEMS IMU在性能和鲁棒性上的突破性提升。

“相比于一些传统方式实现的高端IMU，ADIS16488在零偏稳定度和角度随机游走等关键指标的性能与之相当或更好，而对振动校正、线性度和带宽等一些更重要的参数，ADIS16488能够提供更优越的性能，并且功耗仅为其1/4，成本仅为其1/10。”赵延辉指出。
他说，随着ADIS16488的问世，MEMS技术得以推广到以前从未涉足的领域，如智能工具/仪器仪表、远程制导/检测、应急响应跟踪、智能收割、嵌入式补偿、手术导航和工厂自动化等。

光纤陀螺仪的终结者?

此次发布的另一款IMU模块——ADIS16136是一种高性能、数字陀螺仪检测系统，自治工作，无需用户配置便可产生精确的速率检测数据。其性能优势包括低噪声密度、大带宽和出色的零偏稳定度，支持平台控制、导航、机器人和医疗仪器等应用。

零偏稳定度是可以估算的最佳理论偏置精度，也可视为“分辨率”或“残留偏置”。业界根据零偏稳定度来划分陀螺仪的级别：惯性级：<<0.1 度/小时、战术级：<10 度/小时；速率级：>10 度/小时；消费级：>100 度/小时。战术级陀螺仪性能显著改善并简化工业惯性检测，如大幅提高GPS辅助航位零偏稳定度推算和平台稳定/导引的性能。

不过，正像ADI赵延辉所说，“关键问题是在大多数应用中，偏置稳定度不是主要的误差源。实际上在复杂的运动和恶劣的环境下，设备非常容易受加速度变化（倾斜/振动）的影响。” ADIS16136与前文提到的ADIS16488 IMU模块的共同特点是除了具备战术级的零偏稳定度之外，还具备业界领先的振动/冲击/温度稳定性。


图2：ADIS16136与光纤陀螺仪的对比。

如图2所示，与昂贵、易损的光纤陀螺仪相比，ADIS16136 MEMS陀螺仪的稳定度和角度随机游走特性与之相当，线性度则提高2倍，启动时间快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纤陀螺仪，ADIS16136可以说是体积非常的小，大约为1立方英寸，重量仅有25克，这将有助于许多新应用实现精密角速率检测。

和ADIS16488 一样，ADIS16136实现了ADI公司业界领先的iMEMS 技术与信号调理技术的完美结合，可提供优化的动态性能。ADIS16136以最高2048 SPS（每秒采样数）的速率提供数据，并提供一个均值/抽取滤波器结构，以优化噪声与带宽的取舍。串行外设接口(SPI)和用户寄存器结构可让用户轻松访问配置控制和校准的传感器数据，适合嵌入式处理器平台。每个组成元器件均在整个温度范围内经过全面的工厂校准，具有器件特定的补偿公式，无需额外测试或校准便可提供高度稳定的传感器输出。对于一些系统，工厂校准可免除系统级校准，大大简化操作。而380 Hz的大带宽能很好地适应各种复杂的稳定应用。[!--empirenews.page--]

这两款新产品都采用全新的插针式封装，因此接口鲁棒性更好，可轻松实现机械固定。而且均支持-40°C至+85°C的全温工作范围，可适应各种恶劣工作环境。

全集成IMU简化系统设计、加速实现新应用

ADI公司提供广泛的接口兼容型IMU解决方案，包括这次最新推出的ADIS16488。这些IMU芯片模块的集成度和精度不断得到提高，体积不断减小，而且所有复杂、关键的IMU校准和补偿均由ADI公司完成，因此可减少系统开发时间以人·年计。客户无需购买测试设备，可以节省以10万美元计的大笔投资。这些器件都配有简单的串行接口，用户访问极为便捷。


图3：ADI的IMU集成了高性能惯性内核+优化的惯性测量单元。

以图3所示的稳定和导航系统应用为例，红色线条框住的部分即体现了ADI新一代IMU产品的核心价值所在。采用这种IMU产品，各种工业级和极端应用运动检测系统开发者就无需关注耗时耗力耗钱的传感器调理、补偿/传感器处理以及校准电路的设计，ADI已经将所有的硬件都设计好并校准好，客户只需专注于算法与软件的开发，从而可加速应用的开发，促进各类工业级和极端应用运动检测市场的发展。特别地，ADIS16488集成了3轴加速度计，3轴陀螺仪，3轴磁力计和1个气压计共10个自由度，从而可以为用户提供单芯片的解决方案。