MEMS慣性傳感器在控制系統中的應用研究

李明

（陜西工業職業技術學院 陜西 西安 712000）

傳感器技術的發展使工業系統設計得到了前所未有的進步。就慣性傳感器而言，其應用前景廣闊，能夠改善系統性能或功能的領域包括：低端消費電子類產品、中端工業級及汽車級產品、高端軍用級和宇航級產品。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。

MEMS是微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。它是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發展而發展起來的，目前MEMS加工技術在傳感器制作領域有很多應用，MEMS慣性傳感器是一個不錯的產品。從最初MEMS線性加速度傳感器徹底革新了汽車安全氣囊系統開始，從筆記本電腦硬盤保護到航天控制器中更為直觀的運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現。

MEMS慣性傳感器包括加速度計（或加速度傳感計）、角速度傳感器（陀螺）、單/雙/三軸組合IMU（慣性測量單元）和AHRS（包括磁傳感器的航姿參考系統）[1]。

對工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數據，將其轉換成有用的信息，然后在系統的時序和功耗預算內做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經驗，并且遵循良好的設計規范。尤其是許多工業應用處在惡劣的物理環境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。

工業控制應用是一個很好的例子，MEMS傳感器對某種形式的指向或轉向設備有著較好的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，需要分析最終系統的完整運動動力學特性、環境、壽命周期和可靠性預期。

如果系統的運動相對而言為靜態，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，許多系統涉及到多種類型的運動（如旋轉和加速度等），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。

1 線性速率和角速率

根據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動到諧振狀態，以產生必要的運動，從而在旋轉期間產生科氏力。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級，產生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經轉換，送入一個專有數字校準電路。

傳感器內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，以便實現最高的性能水平和穩定性。

商業級的MEMS慣性傳感器主要是用于消費電子類，主要要求是單價低、尺寸小、溫度范圍窄、因而精度要求低的功能性產品。加速度傳感器重量輕、功耗小、一般測量范圍1～10～50 g，分辨率 2～10 mg，陀螺一般量程在±300°/s，零偏在500°/h～1 000°/h，因此有些公司的產品不給出零偏指標或給出 0.1°/s～0.5°/s。

工業級的MEMS慣性傳感器大多以模塊形式出現，對于應用于工業級芯片級產品，還必須進行處理，包括軟件和硬件電路，以及對不同工業環境的適應性，大多數要求價格適中，精度一定優于消費類應用加速度傳感器的量程選擇比較寬 1～500 g，分辨率 1～3 mg，陀螺量程大多 250°/s 以內，零偏在 50°/h～200°/h，汽車級可作為一個工業應用的特殊產品，對其可靠性要求高，同時由于需求數量大，和一般工業要求不一樣的是單價要低。

軍工級或宇航級的MEMS慣性傳感器精度要求高、工作溫度范圍寬 （-45°～125°），某些兵器產品要求抗沖擊能力強（10 000～20 000 g）尺寸要比光纖和機械類產品要小。加速度傳感器量程范圍寬1～5 000 g，分辨率要0.1～1 mg，甚至更高。陀螺量程要求范圍寬 20°/s～1 000°/s， 頻響高，50～1 000 Hz，零偏穩定性為 1°/h～50°/h[3]。

2 調理和處理

在工業市場上，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有設備中。

來自MEMS慣性傳感器的信息經過處理和積分后，可以提供許多不同類型的位置、方向和運動的輸出（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。

一旦確定傳感器類型和技術后，就得了解和補償傳感器對環境（溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量）的反應。環境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態調整，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。

圖1 MEMS慣性傳感器能夠檢測的運動類型Fig.1 Movement type MEMS inertial sensors can detect

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：

消費電子產品，如手機、數碼相機、PDA、MP3等必須具備一定的抗沖擊或抗跌落能力。這些產品的制造商要求其整機必須能通過1.2 m或1.3 m的自由跌落測試，從1.2 m自由跌落至大理石地面將對整機產生大約50 000 g的沖擊力。如果除去外殼和印刷電路板的緩沖作用，施加到加速度計上的沖擊加速度也將超過5 000 g[6]。為了抵御這種沖擊，制造商要求產品設計師在產品中設計緩沖系統，并采用加速度傳感器在第一時間獲取跌落信息，同時在第一時間將怕震電子器件的電源關閉，并予以保護，如高速旋轉的硬盤、光碟、錄像帶等均可使它們能夠快速地進入暫停狀態。

汽車領域里對輪胎壓力實時監視系統（TPMS）主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預警系統。為了強化胎壓檢測功能，現在的TPMS傳感器模塊內部除了壓力傳感器、溫度傳感器還增加了1-2個加速度傳感器和電壓檢測，不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內溫度的變化，而且還能實現汽車移動即時開機、自動喚醒、節省電能等功能[2]。

軍工級的產品一般應用于條件惡劣的環境下，例如衛星上的MEMS慣性傳感器，慣性姿態測量的基本原理是將速率陀螺測得的角速率信號積分以得到角度（姿態角），利用重力場和地磁場的水平姿態信息和航向信息 （用電子羅盤測量）作為姿態參考信息，并采用Kalman濾波器來實現與陀螺信號的數據融合，從而實時修正陀螺信號的漂移[3]。

工業檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調特性，如數字濾波、采樣速率控制、狀態監控、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，也可能需同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補償重力、震動及其他不符常規的行為和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償，即使無須補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問題的解決更加困難。當指定角速率傳感器要求時，多數工業系統設計工程師主要關心的是陀螺儀穩定性（隨時間發生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩定性也可能毫無意義。例如，假設線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉±90°（1 G）的簡單情況下，這將給 0.003°/s的偏置穩定性增加0.1°的誤差。加速度計通常與陀螺儀一起使用，以便檢測重力影響，并且提供必要的信息來驅動補償過程[4]。

面向具體應用的解決方案將適當的傳感器與必要的信號處理結合在一起，如果具備高性價比并且提供現成可用的標準系統接口，這些解決方案將能消除許多工業客戶過去所面臨的實施和生產障礙。為了優化傳感器性能并盡可能縮短開發時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應用環境。校準計劃可以針對影響最大的因素進行定制，從而減少測試時間和補償算法開銷。

3 加速度、震動分析

在一些應用案例中，相對簡單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中（例如，通過震動分析進行狀態監控），則需要增加相當多的處理過程才能實現所需的輸出[5]。

圖2 ADIS16227功能框圖Fig.2 ADIS16227 functional block diagram

圍繞慣性傳感器而構建的一個高集成度器件示例是ADIS16227（如圖2所示），它是一款完全自治的頻域震動監控器。此類器件可能不提供相對簡單的g/mV輸出，而是提供特定應用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點實值FFT和片上存儲器能夠識別各震動源并進行歸類，監控其隨時間的變化情況，并根據可編程的閾值做出反應。

能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設想到的領域都具有應用價值。大多數情況下，人們希望掌控一個系統發生的運動，并利用該信息提高性能（響應時間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統在危險情況下關機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動才是至關重要的，因此傳感器可用來檢測不需要的運動[6]。

這些特性或性能升級往往在現有系統上實施，考慮到最終系統的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些系統的設計人員不是運動動力學方面的專家，因此，在決定是否進行系統升級時，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關鍵的因素。

4 結束語

MEMS傳感器的各方面特性表明其技術的發展中心已從軍工級向商業級和工業級轉變，是否能設置好應用時的各項參數才是今后應用時的重點。不同種類的MEMS傳感器的的適用條件才是首要考慮的因素。本文小結了一些MEMS傳感器的使用范例，在具體應用中還要使用者按照實際情況具體調整。

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LV Hai-shu，YANG Yong-jun，XU Shu-jing，et al.Research on a new three-axis MEMS convective accelerometer[J].Micro-and Nano-Electronic Technology，2008（4）:219-221.

[5]梁丁.基于MEMS慣性傳感器的跌到檢測與預警研究[D].大連:大連理工大學，2012.

[6]ZHANG Xia-qing，YANG Shu-xing，ZHAO Lei.The application ofMEMS inertialsensors on spinning gun-launched munitions[C]//Proceedings of 6th International Symposium on Test and Measurement，Volume 3:2101-2104.