MEMS加速度傳感器用于中等精度導航系統(tǒng)

　　簡介

　　中等精度導航系統(tǒng) (IMU), AHRS 和控制系統(tǒng)需要陀螺儀和加速度傳感器來預測在自由空間中的運動物體的位置。加速度傳感器被用于執(zhí)行初始調(diào)平和糾正在移動中的陀螺漂移。

　　在此文章中，我們將比較目前正處在開發(fā)中的 Colibrys ±10g 加速度傳感器MS9010.D 和 RS9010.A 的主要參數(shù)，用以支持系統(tǒng)設計者，并以此作為選擇最佳加速度傳感器的準則。我們將對四個主要參數(shù)進行比較，它包括：零偏重復性，標度因數(shù)，軸對準性和振動整流誤差。MS9010.D 的長期零偏重復性小于5mg，通常 RS9010.A 樣品的第一次測量結果小于 1.5mg。MS9010.D 標度因數(shù)重復性可達到 400ppm。RS9010.A 更可達到150ppm。此外，RS9010.A 的振動整流誤差有小于 100μg/g2的潛力。

　　考慮到不同類型的需求, Colibrys 為 AHRS 制造商提供了大量加速度傳感器的選擇, 從提供最佳性- 價比的標準產(chǎn)品 MS9010.D 和MS9005.D 到將代表高性能系統(tǒng)最佳選擇的 RS9010.A 。也可提供±2g 和±200 克之間的各種量程g。

　　MS9100 產(chǎn)品，多 g 量程與穩(wěn)定性的結合

　　特點

　　量程從±1g 到 ±200g

　　長期零偏穩(wěn)定性

　　低整流誤差

　　超小型20 引腳LCC 陶瓷氣密性封裝(8.9mm x 8.9mm)

　　適用于惡劣環(huán)境

　　小尺寸體積

　　符合 RoHS 標準，適用于無鉛焊接過程和SMD 安裝

　　選擇慣性加速度傳感器產(chǎn)品主要差異是零偏長期穩(wěn)定性，標度因數(shù)穩(wěn)定性和軸對準的可重復性。這些參數(shù)之所以重要是因為任何輸出信號的偏差將在集成過程中對定位造成 2 倍以上的誤差。對于一個以很快的加速度飛行幾分鐘的物體，這可能轉化為一個定位上的大誤差。而且，由于發(fā)動機或其它來源的鄰近效應，在加速度傳感器被安裝的環(huán)境周圍經(jīng)常會遇到一些振動，這些振動對于傳感器輸出信號的影響被稱為振動整流誤差。對于許多應用來說，產(chǎn)品對于外部振動具有非常低的敏感性是最為重要的。

　　MS9010 加速度傳感器

　　多年以來，Colibrys 一直為中等精度導航系統(tǒng)和標準航姿系統(tǒng)(AHRS)的應用提供產(chǎn)品，例如 MS8010.D, 以及最近的 MS9010.D 和 MS9005.D。

　　對于量程為±10g 的測量，它們總的長期零偏穩(wěn)定性優(yōu)于 7.5mg，對于量程±5g，優(yōu)于 3.75mg，其標度因數(shù)重復性優(yōu)于 400ppm。圖 1 顯示了對于各種量程 MS9000.D 的一年零偏穩(wěn)定性的測量結果。該分析結果還包括：在 85°時進行10天的加速老化實驗，這對應于 18 個月的標準壽命時間，以及對加速度傳感器為期 0.2 毫秒，1000g 的從六個方向進行的沖擊。

　　MS9000 已經(jīng)展現(xiàn)了其出色的抗沖擊性能以及沖擊后優(yōu)異的穩(wěn)定性。這使得該產(chǎn)品可適應于一些對抗沖擊性有很高要求的應用中。我們也開發(fā)了抗震性高達20’000g 的專門解決方案 (HS8000 和 HS9000) 。

　　圖示 1: 零偏穩(wěn)定性包括在 85°, 1000g 撞擊下進行10天的加速老化實驗(相當于18個月的標準壽命時間)，對于±2g到±100g 產(chǎn)品組合。

　　RS9010 加速度傳感器

　　為了應對新的高端需求，Colibrys 目前正在開發(fā)一個新的技術平臺稱為IRIS™。它包括一個新穎的 MEMS 傳感元件，一個開環(huán) ASIC 和一個溫度傳感器，它們被安置在一個有 20 個引腳的標準 LCC 封裝系統(tǒng)內(nèi)。RS9010.A 是被設計和制造以應用于高精度、中等量程的航姿系統(tǒng) (AHRS) 。

　　圖示 2: MS9010.D (LCC20: 內(nèi)部和封蓋) 和 RS9010.A (LCC20 在評估板上).

　　IRIS™技術包含三個主要的改進：新的 MEMS 傳感器設計，MEMS 組裝技術和電子接口的改進。新型 MEMS 元件是專為獲得高零偏和高標度因數(shù)穩(wěn)定性而設計的。這個設計是通過了解傳感元件的物理機械性能，分析造成漂移的機制，并設計能避免這個機制的傳感器而實現(xiàn)的。IRIS™采用最新的 MEMS 制造技術，如深層離子刻蝕技術(DRIE)和硅熔融鍵合技術(SFB)。這些技術保證了工藝的高度一致和可預測性，從而保證了高成品率和產(chǎn)品的可重復性

　　以下四張圖顯示了 RS9010.A 加速度傳感器的初步表現(xiàn)。我們可以看到，經(jīng)過沖擊和長期老化后，所有的零偏漂移包括遲滯都優(yōu)于1.5mg， 且標度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于150ppm。此外，RS9010.A 的振動整流誤差可比擬機電(Q-FLEX)規(guī)格。這些綜合性能使得 RS9010.A成為未來的高性能航姿系統(tǒng)的最佳候選產(chǎn)品之一。

　　圖 3: 剩余偏置隨溫度而變化(經(jīng)過 4 階多項式校正之后) 包括在 85℃下老化、并以 1000g 沖擊 10 天

　　圖 4: 剩余標度因數(shù)隨溫度而變化 (經(jīng)過 2 階多項式校正之后) 包括溫度遲滯

　　圖 5: 在整個溫度范圍的軸偏穩(wěn)定性(經(jīng)過2 階多項式校正之后), 沖擊和加速老化

　　圖 6: 在20至500Hz和500至2000Hz頻率范圍，RS9010.A振動整流誤差<100μg/g2。此圖形由37只不同的傳感器疊加而成

　　這幾張圖清楚地表明，相對于性能良好的MS9010.D產(chǎn)品，RS9010.A是一個真正的改進。下圖進一步表明了在整個溫度范圍內(nèi)，RS9010.A 長期溫度系數(shù)的性能有所改善。

　　這表明長期穩(wěn)定性的提高。

　　結論

　　Colibrys公司一直為中等精度的導航系統(tǒng)(IMU)和AHRS 研發(fā)與提供不同的加速度傳感器設計 。

　　MS9010.D和MS9005.D具有約 5mg 的整體長期偏置穩(wěn)定性，對于一個標準的航姿系統(tǒng)表現(xiàn)了最好的性價比。例如：它們被專用于小型飛機和飛機導航，備份解決方案或無人駕駛飛行器(UAV)的一般輔助。這也是在沖擊和振動的惡劣環(huán)境應用中的最佳解決方案。

　　無人機的例子

　　目前，新型的 RS9010.A 正在開發(fā)中，其總目標是使長期零偏重復性達到1.5mg, 它已經(jīng)顯示出了出色的振動整流特性，在量程為10g時，其數(shù)值低于100μg/g2。這些性能證明：對于未來高精度航姿系統(tǒng)的應用，如無人機，大型民用飛機，直升機和陸軍或海軍導航以及中等精度低g導航系統(tǒng)(IMU)，RS9010.A 都是最佳選擇之一。