發布日期：2022-10-09 點擊率：671
慣性傳感器工作原理：MEMS慣性傳感器 第1張" title="慣性傳感器工作原理：MEMS慣性傳感器 第1張-傳感器知識網"/>
? MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是指集機械元素、微型傳感器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統。MEMS慣性傳感器可構成低成本的INS/ GPS 組合導航系統 ,是一類非常適合構建微型捷聯慣性導航系統的慣性傳感器。MEMS慣性傳感器的突出特點使其在眾多的民用和軍用領域具有廣闊的應用前景。
? ? MEMS慣性傳感器的背景狀況
? ? MEMS技術最早由Richard ?Pfeynman（1965年獲得諾貝爾物理獎），在1959年提出設想。1962年硅微型壓力傳感器問世。
? ? 1979年Roylance和Angell開始壓阻式微加速計的研制。1991年Cole開始電容式微加速度計的研制。
? ? 慣性傳感器包括加速度計（或加速度傳感計）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態參考系統）。
? ? MEMS加速度計是利用傳感質量的慣性力測量的傳感器，一般由標準質量塊（傳感元件）和檢測電路組成。根據傳感原理不同，主要有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式、諧振式、熱電耦合式和電磁式等。
? ? 1998年，美國CSDL設計研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor實驗室研制了另一種形式的MEMS陀螺。 ? ? MEMS陀螺是利用震動質量塊被基座（殼體）帶動旋轉時的哥氏效應來傳感角速度的原理制成。
? ? 主要形式有框架驅動式（內、外框架兩種）梳狀驅動式、電磁驅動式等。
? ? IMU由于是MEMS技術組合的微型慣性測量單元，所以很多地方稱為MIMU。主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺及解算電路組成。
? ? AHRS則為包括三個磁傳感器的IMU，并且依據四元素法進行了解算，直接可輸出一個運動體的俯仰角、橫滾角和航向角。
? ? 低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產品主要用在手機、游戲機、音樂播放器、無線鼠標、數碼相機、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統、GPS導航等便攜式。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。
? ? 中級MEMS慣性傳感器作為工業級及汽車級產品，則主要用于汽車電子穩定系統（ESP或ESC）GPS輔助導航系統，汽車安全氣囊、車輛姿態測量、精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀表、工程機械等。 ? ? 高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產品，主要要求高精度、全溫區、抗沖擊等指數。主要用于通訊衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定性應用；飛機/導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器船舶儀器、戰場機器人等。
MEMS慣性傳感器的工作原理
? ? MEMS慣性傳感器是以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎,在單晶硅片上制造出來的微機電系統,包括微機械加速度計、微機械陀螺儀和微慣性測量組合(MIMU)。MEMS 慣性傳感器的工作原理是經典力學中的牛頓定律,其功能是測量運動物體(如車輛、飛機、導彈、艦艇、人造衛星等)的質心運動和姿態運動,進而可以對運動物體實現控制和導航。MEMS慣性器件與非MEMS慣性器件相比,其體積和價格可減少幾個數量級,對國防具有重大戰略意義。基于MEMS慣性器件構建低成本、高性能的微型慣性導航系統正在成為當前慣性技術領域的一個研究熱點。
MEMS慣性傳感器的測試
? ? MEMS慣性傳感器的測試跟一般的IC測試之不同在于它需要外界的刺激，因此除了自動化測試設備（ATE）、ATE界面板（DIB）和器件巢板（DUT board）等常見的配置外，還需要一個極其重要的設備——產生和傳遞刺激（stimulus）的設備。這個設備是用戶化了的，不同的傳感器特別是不同類型的傳感器所使用的不同、甚至完全不同。因此這樣的設備往往不是工業標準化的，客戶在設計新的慣性傳感器的同時必須跟設備制造商一起開發相應的設備。這個開發的成本是非常昂貴的，以百萬美元計。哪怕是改一下傳感器封裝外形，測試面或腔必須重新設計，一般需20萬美元、8到12周。如果沒有代理測試的工廠，小公司即使能設計生產慣性傳感器，也很難大批量銷售。
? ? 另外，測試時間是影響產品成本的一個重要因素，尤其是慣性傳感器，因為機械的刺激往往比一般的電路測量慢得多。而且，機械刺激在觸發后必須等待足夠的時間才穩定，還必須在關掉后等待足夠的時間才完全消失。為縮短測試時間，除了改進設備的力學設計外，提高測試并行度是立竿見影的辦法。
MEMS傳感器的應用領域
? ? MEMS微慣性傳感器主要應用領域是汽車、慣性導航、消費品電子、IT附件。下圖所示的是汽車中的MEMS應用，可以看到加速度計和陀螺儀占有很大的比例。目前由于微陀螺儀的價格較高，其應用的潛力還沒有完全開發，但如果技術上出現突破大大降低陀螺儀的生產成本，那么在導航系統中將會有很大的市場潛力。
? ? 未來的微慣性器件主要的發展方向是在在滿足民用需求的精度和穩定度的前提下，盡量小型化和降低價格。尤其是陀螺儀，只有降低陀螺儀的價格，集成的IMU(inertia measurement unit,包含3個陀螺儀，3個加速度計)才能夠在汽車導航，娛樂性電子的中的虛擬現實（運動感受）中得到廣泛的應用。
MEMS慣性傳感器的發展趨向
? ? MEMS慣性傳感器的發展趨勢主要有以下幾個方面：
? ? 1、技術方面：精度將不斷提高，以陀螺為例，有替代低精度光纖陀螺的趨勢。對消費類應用，更尋求進一步簡化制造工藝，降低成本的趨勢。同時，集成化也是未來發展的趨勢，不僅模塊制造商走軟件、硬件集成的路子，越來越多的上游芯片廠家也走集成塊的技術路線。因而不斷有雙軸、三軸加計、陀螺芯片問世。
? ? 2、競爭力方面：消費類將競爭最為慘烈，新廠家將不斷涌進，比投資、比規模將是必然趨勢。上下游相互傾軋、收購、重組將會上演。
? ? 3、合作方面：由于產品細分的緣故全球競爭與合作必然結果。上游廠家希望找到下游客戶，下游希望尋找合適的供應商，因而產業聯盟可能出現。
? ? 4、應用方面：無疑無論是消費類應用，工業級軍工級應用，市場會急驟擴大，應用會越來越廣泛。
? ? 注意：目前的智能手機（包括Android和Iphone）里面都集成有MEMS慣性傳感器，所以就可以開發各種各樣好玩的游戲和項目！
當前，微機電系統（MEMS）傳感器已被大多數汽車工程師視為尖端技術或邊緣技術，以尋求提高性能、降低成本并增強家用轎車的可靠性。實際上，在過去的十年中，汽車中已經使用了數億個MEMS傳感器。
MEMS慣性傳感器
但是，MEMS傳感器中的許多傳感器（例如MEMS壓力傳感器）只是用更便宜、更可靠的設備替代了舊技術，相比之下，MEMS慣性傳感器實現了許多理想的功能，這些功能在當今的汽車中越來越普遍。據了解，慣性傳感器包括加速度計(或加速度傳感計)和角速度傳感器(陀螺)以及它們的單、雙、三軸組合IMU(慣性測量單元)、AHRS(包括磁傳感器的姿態參考系統)。
在本文中，我們將研究汽車MEMS慣性傳感器的應用，描述它們的工作原理，并討論如何利用MEMS傳感器來實現更大的應用改進。許多應用程序你可能很熟悉，因為它們已經在汽車中無處不在；一些應用程序（通常是最有趣的）雖然只出現在高端機型中，但未來注定會成為標準設備。
一、安全氣囊控制的碰撞感測
用于安全氣囊控制的碰撞感測是慣性MEMS傳感器在汽車上最大的應用。在這種應用中，加速度計連續測量汽車的加速度，當該參數超過預定閾值時，微控制器計算加速度的積分（即曲線下的面積），以確定速度是否發生了較大的凈變化。如果有的話，安全氣囊就會被引爆，發射前安全氣囊的決定必須在幾十毫秒內做出，由于車門比方向盤或儀表板更靠近乘員，因此必須更快地決定是否啟用側氣囊。
大約15或20年前，當安全氣囊首次出現在汽車中時，安全氣囊控制模塊的制造商就依賴于分布在整個汽車中的g個開關（慣性開關，它由裝在圓柱形外殼中的觸點、球和彈簧組成）。這些開關沒有提供有關所感測到的加速度性質的大量信息，它們只是提供開/關信號，告訴你加速度高于或低于閾值。因此，一個簡單的中控臺安全氣囊控制模塊需要幾個開關（通常是3到7個）來確定加速度是路面不平還是撞車的結果。而且更糟糕的是，由于其觸點g開關的可靠性、所需的長壽命以及高昂成本，因此將它們連接到整個汽車的多個位置增加了成本，降低了可靠性。
而將MEMS加速度計引入安全氣囊控制模塊實際上消除了將g開關用作安全氣囊模塊中的主要加速度傳感器的麻煩，由于MEMS加速度計讀取連續（模擬）測量值，因此可以在中央控制臺中用一個MEMS設備替換g開關。隨之而來的可靠性提高和安全氣囊系統價格的下降有助于使其在汽車中普及。更重要的是，MEMS加速度計可以執行可靠的自檢，從而使安全氣囊模塊處理器可以確定傳感器的數據是否可靠或者是否必須對安全氣囊模塊進行維修。
MEMS加速度計通常控制側面安全氣囊。由于必須迅速做出火災決定，因此沒有時間等待傳感器信號通過汽車底盤的傳播，因此必須將衛星放置在它所控制的安全氣囊附近。此外，由于沖擊和加速度計之間實際上沒有擠壓區，因此測量范圍必須在中控臺加速度計上方。結果，許多配備有側面安全氣囊的車輛可能會為此增加兩到四個MEMS加速度計。
某些車型上還增加了位于前保險杠后面的前視碰撞傳感器，以幫助確定正面碰撞的嚴重性。將前視傳感器的加速度信號與中控臺加速度計的加速度信號進行比較，從而使安全氣囊模塊控制器可以調節安全氣囊的充氣速度，使其與汽車的減速速度匹配。在此，高g范圍和緊湊尺寸也是該應用中的重要因素。
二、車輛動態控制（VDC）
車輛動態控制（VDC）系統可幫助駕駛員在汽車開始打滑時重新獲得對汽車的控制，如果VDC正常工作，駕駛員甚至可能不知道系統干預了。
VDC系統由一個陀螺儀、一個低重力加速度計和每個車輪處的車輪轉速傳感器組成（ABS也可以使用車輪轉速傳感器）。測量車輪轉速，并將汽車的預測偏航（或轉向）速度與陀螺儀測得的速度進行比較。低重力加速度計還用于確定汽車是否在橫向滑動，如果測得的橫擺速度與計算出的橫擺速度不同，或者檢測到橫向滑動，則可以使用單輪制動或減小扭矩來使汽車恢復原狀。
在MEMS陀螺儀和加速度計出現之前，普通乘用車的VDC是不切實際的，常規的陀螺儀和加速度計將使汽車成本增加數千美元。事實上，用旋轉質量和應變計制造的傳統陀螺儀可能不夠堅固，無法滿足汽車市場10年以上的運行要求，即使是MEMS陀螺儀也幾乎不能勝任這項任務。
典型的MEMS陀螺儀使用石英音叉，音叉的振動以及施加的角度旋轉（汽車的偏航率）在音叉上產生科里奧利加速度，安裝在音叉上的加速計或應變計測量微小的科里奧利力。
信號輸出與音叉大小成正比。為了產生足夠強的輸出信號，音叉必須劇烈振動，最好用高Q結構來完成這個任務。制造商經常把音叉放在真空中，以盡量減少音叉周圍空氣的機械阻尼，因為高Q結構可能相當脆弱。
由于陀螺儀必須牢固地連接到汽車上才能準確地測量偏航率，因此陀螺儀經常會遭受沖擊和振動。這種機械噪聲可以將信號引入科里奧利傳感器加速度計，該信號比音叉產生的科里奧利信號高幾個數量級。將信號與噪聲分開并不容易，通常，沖擊或振動會使電路飽和，并使陀螺儀的輸出在短時間內不可靠（這解釋了為什么VDC警告燈偶爾會無故亮起的原因）。
傳統的MEMS陀螺儀通常體積龐大（100cm3或更大的情況并不少見）。這部分是由于添加了機械式防振架的緣故，該防振架的安裝可將對外部振動的敏感性降至最低。
不過，新型MEMS器件避免了這些缺點。例如，ADI公司的iMEMS陀螺儀為7x7x3mm（0.15 cm3），它不是使用石英，而是使用了共振多晶硅梁結構，該結構創建了向角速度顯示時產生科里奧利力的速度元素。在與共振運動正交的多晶硅梁的外邊緣，電容式加速度計測量科里奧利力。陀螺儀具有兩組反相的光束，彼此相鄰放置，并且它們的輸出被差分讀取，從而減弱了外部振動靈敏度。
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要想采集人體運動數據并對運動展開相關研究，需了解人體結構，人體運動系統是由骨骼和附著其上的肌肉組成，其實質是肢體繞關節運動。人體關節在人體運動中起著樞紐作用，可分為不動關節、動關節和半動關節，在人體運動中所涉及的關節是指動關節。人體中絕大多數關節是動關節，如腕、肘、肩、頸、背、臀、膝和踝關節；
傳感器姿態角是通過傳感器自身坐標系和相對于東北天坐標系的轉動角度來表示的：
航向角Yaw：定義為傳感器芯片繞Z 軸轉動的角度，在空間上是指芯片縱軸方向在水平面上的投影與地球子午線（即經度線）之間的夾角，即載體坐標系Y(b)軸在東北天坐標系水平面的投影與東北天坐標系中的Y(n)的夾角。從地理北極方向為開始順時針轉動方向為正，范圍是[0°-360°]。
俯仰角Pitch：定義為傳感器芯片繞X 軸轉動的角度，在空間上是指芯片的縱軸Y(b)
軸與地理水平面之間的夾角，即載體縱軸Y(b)與其在東北天坐標系水平面上的投影之間的夾角。芯片抬頭向上為正，向下為負，范圍[-90°-90°]。
滾轉角Roll：定義為傳感器芯片繞Y 軸轉動的角度，在空間上是指芯片的橫軸X(b)與水平面之間的夾角，即芯片橫軸X(b)與其在東北天坐標系水平面上的投影的夾角。芯片右面抬起為正，左面抬起為負，定義范圍為[-180°-180°]。
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