MEMS

Mark Looney 应用工程师 ADI公司

摘要

当MEMS惯性测量单元(IMU)用作运动控制系统中的反馈传感器时,必须了解陀螺仪的噪声情况,因为它会在所监视的平台上造成不必要的物理运动。根据具体情况,针对特定MEMS IMU进行早期应用目标噪声估算时需要考虑多个潜在的误差源。在此过程中需要考虑的三个常见陀螺仪特性为其固有噪声、线性振动响应和对准误差。图1的简单模型显示了会影响各误差源评估的几个特性:噪声源、传感器响应和滤波。此模型给出了对这些特性进行频谱分析所需的基准。

陀螺仪噪声源和信号链

图1.陀螺仪噪声源和信号链

传感器固有噪声

传感器固有噪声代表的是陀螺仪在静态惯性和环境条件下运行时其输出中的随机振动。MEMS IMU数据手册通常会提供速率噪声密度(RND)参数来描述陀螺仪相对于频率的固有噪声。此参数通常使用单位°/s/√Hz,是预测特定滤波器配置固有噪声的关键。公式1给出了一种简单方法来估算与特定频率响应(噪声带宽)和RND相关的噪声。

当RND的频率响应遵循单极点或双极点低通滤波器曲线时,噪声带宽(fNBW)和滤波器截止频率(fC)将有公式2和公式3的关系。

除了RND参数外,MEMS IMU数据手册有时会使用输出噪声等参数指定特定滤波器配置的陀螺仪固有噪声。输出噪声通常使用角速率标准单位(°/s),并使用均方根(rms)等统计术语来描述总噪声幅度。

线性振动

由于陀螺仪用于测量旋转角速率,因此其对线性运动的响应会引入测量误差。MEMS IMU数据手册通常通过“线性加速度对偏置的影响”或“线性加速度”等参数来描述对线性运动的这一响应,这些参数通常使用单位°/s/g。线性振动是一种重复的惯性运动,其幅度大小可通过位移(m)、线性速度(m/s)或线性加速度(m/s2或g)表示。在特定的振动频率(fLV)下,位移(|dLV|)、速度(|vLV|)和加速度(|aLV|)之间的幅度关系如公式4所示。

当振动幅度以加速度(grms)表示时,与线性加速度参数相乘可估算陀螺仪测量中产生的噪声。例如,当ADIS16488A承受5 g (rms)的振动时,由于线性加速度等于0.009°/s/g,因此其陀螺仪中的噪声估算值将为0.045°/s (rms)。

如图1所示,陀螺仪信号链常常包括滤波器,这有助于减少线性振动引起的噪声。以频谱项(幅度、频率)定义振动可在估算噪声贡献时考虑滤波器的影响。加速度频谱密度(ASD)函数是以频谱项表达振动的常见方式,通常使用单位g2/Hz。下面通过示例说明已知ASD和陀螺仪频率响应(HG)时估算噪声幅度的步骤:

1. ASD函数乘以陀螺仪频率响应的平方值:

2. 利用帕塞瓦尔定理,通过在目标频率范围内对ASDF进行积分来计算“滤波振动曲线”中的平均功率。

3. 求取噪声功率估算值的平方根,然后与线性加速度系数(HLG)相乘即可计算出陀螺仪噪声幅度。

对准误差

运动控制系统通常会建立惯性参考系,其中包含三个相互垂直90°的轴。这三个轴为MEMS IMU中的各个传感器提供方位参考。理想情况下,陀螺仪的各个旋转轴将与系统参考系中的轴完全对齐,将IMU安装到平台上之后,其将监视运行情况。这种情况下,在惯性参考系中围绕其中一个轴旋转,只有该轴的陀螺仪会生成响应。实际操作中,无法实现这种效果,因为机械缺陷必定会造成一些对齐误差,从而导致离轴陀螺仪响应惯性参考系中围绕一个轴的旋转运动。量化此响应需要一些三角恒等式,并谨慎定义陀螺仪的对齐误差。

每个陀螺仪的对齐误差均具有两个分量,分别定义其相对于惯性参考系中另一个轴的对齐误差。例如,对于图2中的系统,θXZ代表x轴陀螺仪相对于z轴的对齐误差。此对齐误差定义有助于建立公式以计算离轴陀螺仪对系统惯性参考系中围绕另一个轴旋转运动的响应。公式9中给出了一个示例,其量化了x轴陀螺仪相对于z轴的对齐误差(θXZ)和围绕z轴旋转(ωZR)而产生的响应(ωGX)。

三轴式陀螺仪对齐误差

图2.三轴式陀螺仪对齐误差

MEMS IMU通常具有两种类型的对齐误差,它们相互关联,但在系统级建模中具有不同应用:轴到封装和轴到轴。“轴到封装对齐误差”描述陀螺仪相对于器件封装上特定机械特性的对齐情况。将IMU安装到系统后,如果系统无法支持惯性对齐,则轴到封装对齐误差将成为整体对齐误差的主要因素之一。系统与IMU的机械接口的机械缺陷也会增加整体对齐误差。“轴到轴对齐误差”描述各个陀螺仪旋转轴相对于其他两个陀螺仪的相对对齐精度。在系统可以实现简单的对齐过程时,此参数影响最大,此时通常沿系统的惯性参考系中的一个轴直线移动整个组件(IMU已安装在系统平台上),同时需要观察传感器。如果对齐误差不是IMU规格的一部分,则通过评估器件封装中主要机械特性的物理容差就可以估算这些误差。例如,以下情况会引入0.5°的对齐误差:

X 4 mm × 4 mm LGA封装上的焊接回流工艺具有35 μm的安装误差
X PCB上相距20 mm的两个安装孔之间具有0.175 mm的容差

案例研究

为了说明这些原理,请看以下示例,其中估算ADIS16488A中的陀螺仪噪声,该器件用于在以下配置/条件下运行的新型航电系统:

X 陀螺仪可用全带宽
X 振动(ASD(f)):0.122 g2
/Hz;10 Hz到2000 Hz (总振动= 5 grms)

X 最大旋转速率 = ±100°/s,频率范围 = 5 Hz到50 Hz全带宽配置匹配与ADIS16488A针对固有传感器噪声的0.135°/s(rms)的输出噪声规格相关的条件。对于振动贡献,图3给出了曲线说明ASD(f)以及滤波曲线ASDF (f)。ASDF (f)中的频率响应反映了与此IMU陀螺仪信号路径中双极点(404 Hz,757 Hz)低通滤波器相关的衰减曲线。

振动频谱分析

图3.振动频谱分析

公式10通过线性加速度参数乘以ASDF (f)曲线幅值2.24 g rms,可估算产生的噪声电平为0.02°/s (rms)。此噪声电平比通过公式5得到的0.045°/s (rms)低55%,公式5的方法未采用频谱项评估此噪声源。这种改善是采用频谱项定义振动曲线以获取值的一个示例。

通过公式11可计算50 Hz频率下围绕z轴进行±100°/s旋转振荡时的x轴陀螺仪噪声。由于50 Hz恰好位于双极点滤波器的通带中,因此滤波器无法抑制此噪声源。此计算假设ADIS16488A的轴到轴对齐误差是主要误差源(也就是说,将IMU安装到系统后,全面部署时将包括简单的惯性参考系对齐过程)。

表1总结了ADIS16488A中来自各个因素的陀螺仪噪声。公式12给出了0.15°/s (rms)的整体噪声估算值(ωNOISE),表示表1中所有三个噪声源的平方和根值(RSS)。

表1.噪声贡献总结

结论

这些方法利用相应数据手册中的常用参数信息以及对惯性条件的初步见解或估算,给出了评估MEMS陀螺仪信号中常见噪声源的简单流程。了解和评估这些噪声源有助于确定重要的应用信息,指导IMU选择流程,还可以发掘改善机会(简单对齐,当IMU支持相应的轴到轴对齐误差级别时)以使用更经济的解决方案,反之则无法实现这种优势。

致谢

作者在此衷心感谢Randy Carver、Glenn Romano、Paul Perrault和Dave LoCascio为本文内容及审核提供的帮助。

作者简介

Mark Looney是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的iSensor®应用工程师。自1998年加入ADI公司以来,他在传感器信号处理、高速模数转换器和DC-DC电源转换领域积累了丰富的工作经验。他拥有内华达州大学雷诺分校电气工程专业学士(1994年)和硕士(1995年)学位,曾发表过数篇文章。加入ADI公司之前,他曾协助创立汽车电子和交通解决方案公司IMATS,还担任过Interpoint公司的设计工程师。联系方式: mark.looney@analog.com

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摘要

MEMS陀螺仪提供了一种简单的旋转角速率测量方法,其所在的封装很容易安装到印刷电路板上。因此,在许多不同类型的运动控制系统中,它们都是反馈检测元件的常见选择。在此类应用中,角速率信号(MEMS陀螺仪输出)中的噪声会直接影响系统的关键特性(如平台稳定性),且常常是控制系统能够支持的精度水平的决定性因素。所以,当系统架构师和开发者定义和开发新的运动控制系统时,低噪声是一个很自然的价值导向。更进一步,把关键的系统级标准(如指向精度)转化为噪声指标(MEMS陀螺仪数据手册常常会提 供这些指标),是早期概念和架构设计工作的一个极重要的部分。了解系统对陀螺仪噪声特性的依赖性会产生多方面好 处,例如能够确定反馈检测元件的相关要求,或者相反,分析系统对特定陀螺仪中噪声的响应。一旦系统设计者充分了 解这种关系,它们便能从两个重要方面来掌控角速率反馈环路中的噪声影响:1. 制定最合适的MEMS陀螺仪选择标准;2. 在传感器的集成过程中保持其噪声性能不变。

运动控制基础

为了弄清MEMS陀螺仪噪声特性与其对系统关键特性的影响之间的关系,第一步常常是要对系统工作原理有一个基本了解。图1是一个运动控制系统架构示例,其中关键的系统元素被拆分为多个功能模块。此类系统的功能目标是为对惯性运动敏感的人员或设备创建一个稳定的平台。应用实例之一是用于自主驾驶车辆平台上的微波天线,车辆在恶劣的条件下机动行驶,车速可能会引起车辆方向突然变化。若不能实时控制指向角度,当发生此类惯性运动时,这些高指向性天线可能无法支持连续通信。

运动控制系统架构示例

图1. 运动控制系统架构示例。

反馈环路图1. 运动控制系统架构示例。从MEMS陀螺仪开始,其在稳定平台上观测旋转速率 (φG)。陀螺仪的角速率信号馈入专用数字信号处理部分,其包括滤波、校准、对齐和积分,以产生实时方向反馈 (φE)。伺服电机的控制信号 (φCOR) 来自此反馈信号与指示方向 (φCMD) 的比较,而指示方向可来自一个中央任务处理系统,或者代表一个支持平台上的设备以理想方式运行的方向。

应用示例

图1显示了运动控制系统的架构视图,分析应用特定的物理性质也能得出有价值的定义和见解。考虑图2中的系统,它是生产线自动检查系统的概念视图。该摄像头系统检查输送带上移入移出其视场的物件。在这种配置中,摄像头通过一根长支架固定于天花板;针对摄像头要检查的对象大小,摄像头通过支架所决定的高度(参见图2中的D)来优化其视场。工厂中全是各种机器和其他作业,因此,摄像头会不时地发生 摆动(参见图2中的φSW(t)),这可能引起检查图像的失真。图中的红色虚线是此摆动引起的总角向误差 (±φSW) 的夸大视图,绿色虚线表示能够支持系统图像质量目标的角向误差水平 (±φRE)。图2中的视图利用检查表面上的线性位移误差(dSW、dRE)定义系统级关键指标(图像失真)。这些性质与摄像头高度 (D) 和角向误差项(ϕSW、φRE)之间有着简单的三 角函数关系,如公式1所示。

工业摄像头检查系统

图2. 工业摄像头检查系统。

对于此类系统,最适合的运动控制技术是所谓图像稳定化技术。早期图像稳定系统使用基于陀螺仪的反馈系统来驱动伺服电机,进而调整图像传感器在快门开启期间的方向。MEMS技术的出现掀起了一场革命,帮助降低了这些功能的尺寸、成本和功耗,导致该技术广泛用于当今的数字摄像头。得益于数字图像处理技术(其算法中仍然使用基于MEMS的角速率测量)的进步,许多应用已不再使用伺服电 机。无论图像稳定是由伺服电机实现,还是通过对图像文件的数字后处理实现,陀螺仪的基本功能(反馈检测)依然未 变,其噪声影响也仍然存在。为简明起见,本讨论将聚焦于经典方法(图像传感器上的伺服电机)来考察相关度最高的 噪声基本原理,以及它们与此类应用最重要的物理性质之间的关系。

角向随机游动 (ARW)

所有MEMS陀螺仪的角速率测量中都有噪声。这一传感器固有噪声代表的是陀螺仪在静态惯性(无转动)和环境条件(无振动、冲击等)下运行时其输出中的随机振动。MEMS 陀螺仪数据手册中用来描述噪声特性的最常见指标是速率噪声密度 (RND) 和角向随机游动 (ARW) 。RND参数通常 以°/sec/ Hz为单位,根据该参数和陀螺仪的频率响应,可以简单地预测角速率方面的总噪声。ARW参数通常以°/ hr(小 时)为单位,当分析特定期间内噪声对角度估计的影响时,该参数常常更有用。公式2是根据角速率测量来估计角度的一 般公式。此外,它还提供了一个将RND参数与ARW参数关联起来的简单公式。此关系式与IEEE-STD-952-1997(附录C) 中的关系式相比有很小的改动(前者是单边FFT,后者是双边FFT)。

图3是一个图形参考,有助于我们进一步讨论ARW参数代表 的特性。图中的绿色虚线代表陀螺仪RND为0.004°/sec/ Hz时的ARW特性,相当于0.17°/ hr的ARW。实线代表此陀螺仪输出在25 ms周期内的六个独立积分。角向误差相对于时间的随机性表明,ARW的主要作用是估计特定积分时间内的角向误差统计分布。另请注意,此类响应假设利用高通滤波来消除积分过程中的偏置误差。

角向随机游动 (ADIS16460)

图3. 角向随机游动 (ADIS16460)。

回过头看图2中的应用示例,将公式1和公式2结合便可把重要标准(检查表面上的物理失真)与MEMS陀螺仪数据手册通常会提供的噪声性能指标(RND、ARW)关联起来。在此过程中,假设公式1中的积分时间 (τ) 等于图像捕捉时间可提供进一步且很有用的简化。公式3利用公式1中的一般关系来估 计,当摄像头距检查表面1米 (D) 且最大容许失真误差为10μm (dRE) 时,陀螺仪的角向误差 (φRE) 必须小于0.00057°。

公式4将公式3的结果和公式2中的一般关系相结合,用来预测特定情况下对MEMS陀螺仪的ARW和RND要求。该过程假设图像捕捉时间35 ms等于公式2中的积分时间 (τ),因而可以预 测,为了达到要求,陀螺仪的ARW需要小于0.18°/ hr,或者RND必须小于0.0043°/sec/ Hz。当然,这可能不是这些参数支持的唯一要求,但这些简单的关系提供了一个例子,告诉我们如何将其与已知要求和条件联系起来。

角速率噪声与带宽

提供连续指向控制的系统开发者可能更愿意从角速率方面来评估噪声影响,因为他们可能没有固定的积分时间来利用基于ARW的关系。从角速率方面评估噪声常常要考虑RND参数和陀螺仪信号链的频率响应。对陀螺仪频率响应影响最大的常常是滤波,其支持环路稳定标准的专用要求,并能抑制对 环境威胁(如振动)的不相干传感器响应。公式5给出了一种简单方法来估算与特定频率响应(噪声带宽)和RND相关的 噪声。

当RND的频率响应遵循单极点或双极点低通滤波器曲线时, 噪声带宽 (fNBW) 和滤波器截止频率 (fC) 将有公式6的关系。

例如,对于RND为0.004°/sec/ Hz的ADXRS290,图4提供了其噪声的两条不同频谱曲线。图中的黑色曲线代表使用双极点低通滤波器(截止频率为200 Hz)时的噪声响应,蓝色曲 线代表使用单极点低通滤波器(截止频率为20 Hz)时的噪声响应。公式7计算了各滤波器的总噪声。同预期一致,200 Hz 版本的噪声高于20 Hz版本。

 使用滤波器时的ADXRS290噪声密度

图4. 使用滤波器时的ADXRS290噪声密度。

若系统需要定制滤波,其频率响应 (HDF(f)) 不符合公式6和7中的简单单极点和双极点模型,则可利用公式8提供的更一般关系来预测总噪声:

除了会影响总角速率噪声以外,陀螺仪滤波器还向总环路响应贡献相位延迟,这会直接影响反馈控制系统的另一重要品质因素:单位增益交越频率时的相位裕量。公式9用于估计单位增益交越频率 (fG) 时单极点滤波器(fC = 截止频率)对控制环路频率响应产生的相位延迟 (θ)。公式9中的两个例子分别是截止频率为200 Hz和60 Hz的两个滤波器在20 Hz单位增益交越频率时的相位延迟。这对相位裕量的影响可能导致要求陀螺仪带宽比单位增益交越频率大10倍,因而会更偏向于选择RND较佳的MEMS陀螺仪。

现代控制系统常常使用数字滤波器,可能使用不同的模型来预测其在控制环路关键频率时的相位延迟。例如,公式10用于预测一个16抽头FIR滤波器 (NTAP) 的相位延迟 (θ),其以 4250 SPS (fS) 的更新速率( ADXRS290 )运行,单位增益交越频率 (fG) 同样是20 Hz。此类关系有助于确定一个系统架构对此类滤波器结构容许的总抽头数。

结论

根本问题是角速率反馈环路中的噪声可能直接影响运动控制系统的关键性能标准,因此,在设计新系统的过程中,应当尽早予以考虑。相比于仅知道需要低噪声的人,能够量化角速率噪声对系统特性影响的人将拥有明显的优势。他们将能确定性能目标,在应用中产生可观测的值;当其他项目目标 支持考虑特定MEMS陀螺仪时,他们将能有效地量化其对系统的影响后果。一旦有了这种基本理解,系统设计师便可专 注于确定能够满足性能要求的MEMS陀螺仪,利用带宽、速率噪声密度或角向随机游动来指导其考虑。当他们期望优化 所选传感器的噪声性能时,可以利用其与带宽(角速率噪声)和积分时间(角误差)的关系来推动界定其他重要的系 统级特性,从而支持对应用最合适的性能。

作者:Mark Looney

Mark Looney是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的MEMS和传感器产品线应用工程师。自1998年加入ADI公司以来,他在传感器信号处理、高速模数转换器和DC-DC电源转换领域积累了丰富的工作经验。他拥有内华达州大学雷诺分校电子工程专业学士和硕士学位,曾发表过数篇有关在工业应用中运用MEMS技术的文章。

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解决大问题需要开创性的技术。机电继电器早在电报问世之初就已存在,但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。

作为不断增长的市场需求的一个例子,测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案的尺寸尽可能最小,在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现最高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大,因此对系统设计人员的限制日益增大。

微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性,可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备,ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关,此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。

MEMS开关技术

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念。可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器,其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。

图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。这一开关设计用于ADGM1304单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的ADGM1004SP4T开关。

特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁

图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁

ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC),以产生驱动开关所需 的高直流电压,保证快速可靠的驱动和长使用寿命,并使器件易 于使用。

图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起的驱动器功耗非常低——典型值为10 mW,比RF继电器的典型驱动器要求低10倍。

ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关

图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关

集成ESD保护

借助ADGM1304 MEMS开关产品,ADI开发了ADGM1004 MEMS开关,通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术,可实现非常高的ESD保护 同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中,芯片安放在MEMS芯片上,通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

图3. ADGM1004驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右),带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。

为了实现ADGM1004产品,ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合,以实现这一性能突破。

RF和0 Hz/DC性能

MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性和宽带RF性能。图4显示了ADGM1004单刀四掷 (SP4T) MEMS开关的实测插入损耗和关断隔离性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB,在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm(无压缩),三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm(典型值),频率极低时无性能降低。

ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度<10 MHz

图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1列出了这些重要规格。

表1. ADGM1004精度规格I

表1列出了HBM ESD额定值,RF端口的额定值为5 kV HBM,相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。

表2. ADGM1004精度规格II

无论什么市场,小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物 照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸,ADGM100体积缩小了高达95%。

图5. ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较。

最后,为了帮助系统设计人员,我们对ADGM1004开关的热切换寿命(进行RF功率传输时对通道进行切换)进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果,请参见ADGM1004数据手册。

图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。

具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性,同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的世界顶级的带宽性能,相比RF继电器,MEMS开关的体积缩小多达95%,可靠性提升10倍,速度提升30倍,功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS开关为ADI公司性能优异的开关产品阵营又添异彩。

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作者:Eric Carty、Padraig Fitzgerald和Padraig McDaid ADI公司

简介

过去30年来,MEMS开关一直被标榜为性能有限的机电继电器的出色替代器件,因为它易于使用,尺寸很小,能够以极小的损耗可靠地传送0 Hz/dc至数百GHz信号,有望彻底改变电子系统的实现方式。这种性能优势会对大量不同的设备和应用产生重要影响。在MEMS开关技术的帮助下,很多领域都将达到前所未有的性能水准和尺寸规格,包括电气测试与测量系统、防务系统应用、医疗保健设备。

图1. ADI MEMS开关技术

目前的开关技术都或多或少存在缺点,没有一种技术是理想解决方案。继电器的缺点包括带宽较窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大。与继电器相比,MEMS技术一直就有实现最高水平RF开关性能的潜力,其可靠性要高出好几个数量级,而且尺寸很小。但是,难以通过大规模生产来大批量提供可靠产品的挑战,让许多试图开发MEMS开关技术的公司停滞不前。Foxboro Company是最早开始MEMS开关研究的公司之一,其于1984年申请了世界最早的机电开关专利之一。

ADI公司自1990年开始通过一些学术项目涉足MEMS开关技术研究。到1998年,ADI公司终于开发出一种MEMS开关设计,并根据该设计制作了一些早期原型产品。2011年,ADI公司大幅增加了MEMS开关项目投入,从而推动了自有先进MEMS开关制造设施的建设。现在,ADI公司已能够满足业界一直以来的需求:量产、可靠、高性能、小尺寸的MEMS开关取代衰老的继电器技术。

ADI公司与MEMS技术有着深厚的历史渊源。世界上第一款成功开发、制造并商用的MEMS加速度计是ADI公司于1991年发布的ADXL50加速度计。ADI公司于2002年发布第一款集成式MEMS陀螺仪ADXRS150。以此为开端,ADI公司建立了庞大的MEMS产品业务和无可匹敌的高可靠性、高性能MEMS产品制造商声誉。ADI公司已为汽车、工业和消费电子应用交付了逾10亿只惯性传感器。正是这种优良传统所带来的经验和信念将MEMS开关技术变为现实。

详文请阅:ADI公司的革命性MEMS开关技术基本原理

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作者:Eric Carty和Padraig McDaid ADI公司

解决大问题需要开创性的技术。机电继电器早在电报问世之初就已存在,但没有其他替代的开关技术可满足所有市场需求——特别是对于测试和测量、通信、防务、医疗保健和消费类市场中智能性和互联性更强的应用需求。作为不断增长的市场需求的一个例子,测试和测量终端用户要求多标准测试解决方案的尺寸尽可能最小,在0 Hz/dc至数百GHz的频率范围内需要实现最高并行测试。机电继电器的带宽窄、动作寿命有限、通道数有限以及封装尺寸较大,因此对系统设计人员的限制日益增大。微机电系统 (MEMS) 开关具有创新性,可以替代继电器并将行业推向更高水平。凭借内部最先进的MEMS开关制造设备,ADI公司目前可以批量生产高性能的快速小型MEMS开关,此类开关的特点是机械耐用、功耗低且具有静电放电 (ESD) 保护功能。

MEMS开关技术

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微机械加工黄金悬臂梁开关元件概念。可以将MEMS开关视作微米尺度的机械继电器,其金属对金属触点通过高压直流静电驱动。图1显示了单个MEMS开关悬臂的特写图。其中可看到并联的的五个触点和具有下面有空隙的铰链结构。这一开关设计用于ADGM1304单刀四掷 (SP4T) MEMS开关和具有增强型ESD保护性能的ADGM1004SP4T开关。

图1. 特写图显示了一个MEMS悬臂开关梁。

ADI设计了一个配套驱动器集成电路 (IC),以产生驱动开关所需的高直流电压,保证快速可靠的驱动和长使用寿命,并使器件易于使用。图2显示了采用超小型SMD QFN封装的MEMS芯片和驱动器IC。被封装在一起的驱动器功耗非常低——典型值为10 mW,比RF继电器的典型驱动器要求低10倍。

图2. ADGM1004增强型ESD保护MEMS开关。

集成ESD保护

借助ADGM1304 MEMS开关产品,ADI开发了ADGM1004 MEMS开关,通过集成固态ESD保护技术来增强RF端口ESD性能。ADGM1004开关的RF端口人体模型 (HBM) ESD额定值已增加到5 kV。这个级别的ESD保护可谓MEMS开关行业首创。

集成式固态ESD保护是专有的ADI技术,可实现非常高的ESD保护同时对MEMS开关RF性能影响最小。图3显示了采用SMD QFN封装的ESD保护元件。其中,芯片安放在MEMS芯片上,通过焊线连接至封装的RF引脚。这些都是针对RF和ESD性能进行了优化。

图3. ADGM1004驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右),带RF端口ESD保护芯片安放在MEMS管芯之上并线焊至金属引线框架。

为了实现ADGM1004产品,ADI将三种专有光刻技术与组装和MEMS封盖技术相结合,以实现这一性能突破。

RF和0 Hz/DC性能

MEMS开关的优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性和宽带RF性能。图4显示了ADGM1004单刀四掷 (SP4T) MEMS开关的实测插入损耗和关断隔离性能。插入损耗在2.5 GHz时仅为0.45 dB,在带宽高达13 GHz时为–3 dB。RF功率处理额定值为32 dBm(无压缩),三阶交调截点 (IP3) 线性度在频率范围内恒定为67 dBm(典型值),频率极低时无性能降低。

图4. ADGM1004 MEMS开关RF性能线性标度

ADGM1004 MEMS开关设计为0 Hz/dc精密应用提供极高的性能。表1列出了这些重要规格。

表1. ADGM1004精度规格I

表1列出了HBM ESD额定值,RF端口的额定值为5 kV HBM,相比ADGM1304器件的100V HBM有大幅提升。这提高了人工处理ESD敏感型应用的易用性。

表2. ADGM1004精度规格II

无论什么市场,小尺寸解决方案都是一项关键要求。图5利用实物照片比较了ADGM1004 SP4T MEMS开关的封装设计与典型DPDT机电继电器的尺寸,ADGM100体积缩小了高达95%。

图5. ADGM1004 MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的比较。

最后,为了帮助系统设计人员,我们对ADGM1004开关的热切换寿命(进行RF功率传输时对通道进行切换)进行了特性化测试。图6显示了进行2 GHz、10 dBm RF信号热切换时的寿命概率。样本测试的故障前平均循环次数 (T50) 为34亿次。更高的功率测试结果,请参见ADGM1004数据手册。

图6. 10 dBm RF信号热切换时95%置信区间 (CI) 下的对数正态故障概率。

结语

具有开创性的增强型ESD保护性能的ADGM1004 MEMS开关可以大幅提高易用性,同时在RF应用和0 Hz/dc应用中都能保持卓越的开关性能。ADI的MEMS开关技术具有从0 Hz/dc开始的世界顶级的带宽性能,相比RF继电器,MEMS开关的体积缩小多达95%,可靠性提升10倍,速度提升30倍,功耗降低10倍。ADGM1004 MEMS开关为ADI公司性能优异的开关产品阵营又添异彩。

作者简介

Eric Carty于1998年获得爱尔兰国立梅努斯大学实验物理硕士学位。加入ADI公司之前,他担任了10年的RF无源器件设计工程师。2009年,他成为ADI公司的高级应用工程师,主要从事RF开关和MEMS技术的研发工作。他目前负责管理ADI公司的开关与多路复用器应用部门。联系方式:
eric.carty@analog.com

Padraig McDaid 1998年毕业于爱尔兰利默里克大学,获得电子工程学士学位。Padraig负责管理ADI公司的开关与多路复用器市场营销部门,重点关注MEMS技术研发。2009年加入ADI公司之前,Padraig曾在多家跨国公司和中小型企业从事过RF设计、应用和营销工作。联系方式:
padraig.mcdaid@analog.com

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过去30年来,MEMS开关一直被认为是性能有限的机电继电器的出色替代器件,因为它易于使用,尺寸很小,能够以极小的损耗可靠地传送0 Hz/dc至数百GHz信号,有望彻底改变电子系统的实现方式。这种性能优势会对大量不同的设备和应用产生重要影响。在MEMS开关技术的帮助下,很多领域都将达到前所未有的性能水准和尺寸规格,包括电气测试与测量系统、防务系统应用、医疗保健设备。

与继电器相比,MEMS技术一直就有实现最高水平RF开关性能的潜力,其可靠性要高出好几个数量级,而且尺寸很小。但是,难以通过大规模生产来大批量提供可靠产品的挑战,让许多试图开发MEMS开关技术的公司停滞不前。Foxboro Company是最早开始MEMS开关研究的公司之一,其于1984年申请了世界最早的机电开关专利之一。

ADI自1990年开始通过一些学术项目涉足MEMS开关技术研究。到1998年,ADI终于开发出一种MEMS开关设计,并根据该设计制作了一些早期原型产品。2011年,ADI大幅增加了MEMS开关项目投入,从而推动了自有先进MEMS开关制造设施的建设。现在,ADI已能够满足业界一直以来的需求:量产、可靠、高性能、小尺寸的MEMS开关取代衰老的继电器技术。

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图1. ADI MEMS开关技术

ADI与MEMS技术有着深厚的历史渊源。世界上第一款成功开发、制造并商用的MEMS加速度计是ADI于1991年发布的ADXL50加速度计。ADI于2002年发布第一款集成式MEMS陀螺仪ADXRS150,以此为开端,ADI建立了庞大的MEMS产品业务和无可匹敌的高可靠性、高性能MEMS产品制造商声誉。ADI已为汽车、工业和消费电子应用交付了逾10亿只惯性传感器。正是这种优良传统所带来的经验和信念将MEMS开关技术变为现实。

MEMS开关基本原理

ADI MEMS开关技术的关键是静电驱动的微加工悬臂梁开关元件概念。本质上可以将它视作微米尺度的机械开关,其金属对金属触点通过静电驱动。

开关采用三端子配置进行连接。功能上可以将这些端子视为源极、栅极和漏极。图2是开关的简化示意图,情况A表示开关处于断开位置。将一个直流电压施加于栅极时,开关梁上就会产生一个静电下拉力。这种静电力与平行板电容的正负带电板之间的吸引力是相同的。当栅极电压斜升至足够高的值时,它会产生足够大的吸引力(红色箭头)来克服开关梁的弹簧阻力,开关梁开始向下移动,直至触点接触漏极。

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图2. MEMS开关动作过程,A和C表示开关关断,B表示开关接通

该过程如图2中的情况B所示。因此,源极和漏极之间的电路闭合,开关现已接通。拉下开关梁所需的实际力大小与悬臂梁的弹簧常数及其对运动的阻力有关。注意:即使在接通位置,开关梁仍有上拉开关的弹簧力(蓝色箭头),但只要下拉静电力(红色箭头)更大,开关就会保持接通状态。最后,当移除栅极电压时(图2中的情况C),即栅极电极上为0 V时,静电吸引力消失,开关梁作为弹簧具有足够大的恢复力(蓝色箭头)来断开源极和漏极之间的连接,然后回到原始关断位置。

图3显示了利用MEMS技术制造开关的四个主要步骤。开关建构在一个高电阻率硅晶圆(1)上,晶圆上面沉积一层很厚的电介质,以便提供与下方衬底的优良电气隔离。利用标准后端CMOS互连工艺实现到MEMS开关的互连。低电阻率金属和多晶硅用于形成到MEMS开关的电气连接,并且嵌入到电介质层(2)中。标示为红色的金属过孔(2)用于提供到开关输入、输出和栅极电极的连接,以及焊芯片上其他位置的引线焊盘的连接。悬臂式MEMS开关本身利用牺牲层进行表面微加工,在悬臂梁下方产生气隙。悬臂式开关梁结构和焊盘(3)利用金形成。开关触点和栅极电极由低电阻率金属薄膜沉积在电介质表面而形成。

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图3. MEMS开关制造概览

引线焊盘也是利用上述步骤制成。利用金线焊接将MEMS芯片连接到一个金属引线框,然后封装到塑料四方扁平无引线(QFN)封装中以便能轻松表贴在PCB上。芯片并不局限于任何一种封装技术。这是因为一个高电阻率硅帽(4)被焊接到MEMS芯片,在MEMS开关器件周围形成一个气密保护外壳。无论使用何种外部封装技术,这种气密外壳都能提高开关的环境鲁棒性和使用寿命。

图4为采用单刀四掷(ST4T)多路复用器配置的四个MEMS开关的放大图。每个开关梁有五个并联阻性触点,用以降低开关闭合时的电阻并提高功率处理能力。

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图4. 特写图显示了四个MEMS悬臂式开关梁(SP4T配置)

如开头所述,MEMS开关需要高直流驱动电压来以静电力驱动开关。为使器件尽可能容易使用并进一步保障性能,ADI设计了配套驱动器集成电路(IC)来产生高直流电压,其与MEMS开关共同封装于QFN规格尺寸中。此外,所产生的高驱动电压以受控方式施加于开关的栅极电极。它以微秒级时间斜升至高电压。斜升有助于控制开关梁的吸引和下拉,改善开关的动作性能、可靠性和使用寿命。

图5显示了一个QFN封装中的驱动器IC和MEMS芯片实例。驱动器IC仅需要一个低电压、低电流电源,可与标准CMOS逻辑驱动电压兼容。这种一同封装的驱动器使得开关非常容易使用,并且其功耗要求非常低,大约在10 mW到20 mW范围内。

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图5. 驱动器IC(左)和MEMS开关芯片(右)安装并线焊在金属引线框架上

可靠性

可靠性如何是所有新技术的主要“教义”之一,ADI对此极为关注。新型MEMS技术制造工艺是支持开发机械鲁棒、高性能开关设计的基础。它与气密性硅帽工艺相结合,是实现真正可靠的长寿命MEMS开关的关键。为将MEMS开关成功商业化,需要进行大量针对MEMS开关的特定可靠性测试,例如开关循环、寿命测试、机械冲击测试等。除了这种认证之外,为保证达到尽可能高的质量水准,还利用全部标准IC可靠性测试对器件进行了质量认证。表1是已进行的环境和机械测试总结。

表1. MEMS开关技术认证测试

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在RF仪器仪表应用中,开关动作寿命长至关重要。相比于机电继电器,MEMS技术的循环寿命高出一个数量级。85°C时的高温工作寿命(HTOL I)测试和早期寿命故障(ELF)认证测试,严格保证了器件的循环寿命。

持续导通寿命(COL)性能是MEMS开关技术的另一个重要参数。例如,RF仪器仪表开关使用情况各异,某个开关可能长期保持接通状态。ADI已知晓这种情况,并竭力让MEMS开关技术实现出色的COL性能以降低寿命风险。通过深入开发,COL性能已从最初的50°C下7年(平均失效前时间)提升到业界领先的85°C下10年。

MEMS开关技术经历了全面的机械鲁棒性认证测试。表1中共有5项测试用于确保MEMS开关的机械耐久性。MEMS开关元件的尺寸和惯性更小,因此它的可靠性能比机电继电器有显著提高。

无与伦比的性能优势

MEMS开关的关键优势是它在一个非常小的表贴封装中实现了0 Hz/dc精密性能、宽带RF性能以及比继电器优越得多的可靠性。

任何开关技术最重要的品质因数之一是单个开关的导通电阻与关断电容的乘积。它通常被称为RonCoff乘积,单位为飞秒(fs)。当RonCoff降低时,开关的插入损耗也会降低,关断隔离性能随之提高。

采用ADI MEMS开关技术的单个开关单元的RonCoff乘积小于8,这保证了该技术是实现世界一流开关性能的不二选择。

利用这一根本优势和精心设计,便可达到优异的RF性能水平。图6显示了一款QFN封装、单刀双掷(SPDT) MEMS原型开关的实测插入损耗和关断隔离性能。26.5 GHz时的插入损耗仅为1 dB,QFN封装实现了32 GHz以上的带宽。

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图6. SPDT MEMS开关性能,QFN封装

图7显示了在一款单刀双掷(SPST) MEMS原型开关管芯上利用探针测量测得的插入损耗和关断隔离性能的宽频扫描结果。40 GHz时的插入损耗为1 dB,关断隔离约为-30 dB。

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图7. SPST MEMS开关性能,片上探针测量

此外,MEMS开关设计固有的超高性能表现在如下方面:

精密直流性能:已实现

线性度性能:输入信号音为27 dBm时,三阶交调截点(IP3)超过69 dBm。在全部工作频段上有提高到75 dBm以上的潜力。

动作寿命:保证至少10亿次动作循环。这远远超过了当今市场上的任何机械继电器,后者的额定循环次数通常少于1000万次。

功率处理(RF/dc):已在全部工作频段上测试了40 dBm以上的功率,在较低或较高频率时性能不下降。对于直流信号,该开关技术允许200 mA以上的电流通过。

最后,无论什么市场,小尺寸解决方案通常都是一项关键要求。MEMS在这方面同样具有令人信服的优势。图8利用实物照片比较了封装后的ADI SP4T(四开关)MEMS开关设计和典型DPDT(四开关)机电继电器的尺寸。MEMS开关节省了大量空间,其体积仅相当于继电器的5%。这种超小尺寸显著节省了PCB板面积,尤其是它使得PCB板的双面开发利用成为可能。这一优势对于迫切需要提高通道密度的自动测试设备制造商特别有价值。

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图8. ADI引线框芯片级封装MEMS开关(四开关)与典型机电式RF继电器(四开关)的尺寸比较

ADI开发的MEMS开关技术使开关性能和尺寸缩减实现了大跨越。同类最佳的0 Hz/dc至Ka波段及以上的性能、比继电器高出若干数量级的循环寿命、出色的线性度、超低功耗要求以及芯片级封装,使该MEMS开关技术成为ADI开关产品的革命性新突破。

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作者:Chris Goodall、Sarah Carmichael (Trusted Positioning,Inc.)和Bob Scannell (Analog Devices, Inc.)

内容提要

光纤陀螺仪(FOG)以前曾经是环形激光陀螺仪(RLG)等其他技术的低成本替代品,现在该技术面临着新的竞争。微机电系统(MEMS)陀螺仪开始抢夺传统FOG应用的市场份额。具体来说,天线阵列稳定、农业机械控制、常规车辆导航成为MEMS和FOG对峙的战场。

为了确定用于导航应用的这两种技术之间的相似点,我们将对选定的高端MEMS陀螺仪与低端FOG陀螺仪进行比较。我们在分析中使用了导航软件和测试案例作为控制,以确定MEMS是否真正为在战术导航性能水平上使用做好了准备。

MEMS用于精确导航

过去几年中,MEMS在导航行业日益受到青睐,因为它提供更好的误差特性和环境稳定性、更高的带宽和更出色的g灵敏度,而且嵌入式运算能力的应用日益广泛,可以运行高级融合和传感器误差建模算法。新的精密惯性导航系统(INS)市场正在形成气候,MEMS技术也在进入以往被FOG技术主导的市场。从FOG到MEMS技术的一个明显转变是天线阵列稳定应用。机器控制应用也可以得益于MEMS技术的进步。以前,用户偏好价格30,000美元以上的FOG或RLG导航系统,因为其精确度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS导航系统高出20倍。低成本MEMS导航系统的改进使很多应用受益极大,精密农业和UGV/UAV/USV便是其中两个典型的例子。

实时导航硬件

本例中使用的导航系统的设计目的是为电机提供高速率的高度输出,然后该电机再让车辆顶棚上的天线阵列达到稳定。天线阵列的用途是维持与地球同步卫星之间的通信。

该导航系统用作束带式INS/GNSS导航器,提供高速率的位置和速度数据。惯性测量单元(IMU)数据以1000 Hz频率流向导航滤波器,这些数据包用于预测位置、速度和高度。从双天线获取的GNSS位置、速度和航向用作对导航滤波器的更新。当GNSS不可用时,则使用磁力计来帮助初始化航向。使用气压计来帮助确定高度。特殊校准程序与导航滤波器并行发生。这些程序校准磁力计、双天线安装对准误差、IMU安装对准误差,还校准车辆振动水平以便进行静态期检测。

该系统可在两种硬件配置中工作。第一种配置包括两个FOG(检测航向和俯仰角)、一个MEMS陀螺仪(检测滚动)、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁力计、MEMS气压计,传感器硬件的总物料成本(BOM)约为8,000美元(小批量)。

第二种配置包含三个MEMS陀螺仪(用于检测所有方位角),以及与前一种配置相同的三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁力计和MEMS气压计,总成本约为1,000美元(小批量)。这些系统的价格可能随着市场条件和订货量而波动,但通常而言,FOG的价格比MEMS高出八至十倍。

为此设计选择的MEMS陀螺仪和加速度计具有在同一价位中非常出色的偏置稳定度、正交性、g灵敏度和带宽。这种系统的主要限制是带宽要求高。很多MEMS加速度计提供高带宽,但MEMS陀螺仪通常仅有100 Hz或更低的带宽。对于普通车辆导航,这一点还不会产生影响,但此系统是针对需要适应高速率控制的应用设计的。此外还有几种MEMS陀螺仪提供良好的偏置稳定度,但带宽降低或噪声很高。为本系统选择的MEMS陀螺仪在带宽和性能之间达到了平衡。表1给出了所选MEMS的实际规格。

表1 MEMS IMU规格(ADIS16485)

惯性MEMS的采用率处于上升态势。因此,人们为发展该技术进行了大量投资。

本系统中使用的MEMS陀螺仪采用多核架构,该架构在稳定度、噪声、线性度和线性g性能之间达到了优化平衡。完全差分四谐振器与片内高性能信号调理密切配合,使得谐振器的必需响应范围最小,位于高度线性区,并且提供高抗振动性能。

由于MEMS陀螺仪和加速度计集成到多轴IMU中(参见图1),传感器的x/y/z正交性可能成为主要误差源。通常将这种误差规定为跨轴灵敏度或对准误差。常见规格是±2%跨轴灵敏度。本系统的IMU具有0.087%的跨轴灵敏度(0.05度正交性)。更重要的是,由于器件特定的校准在出厂前完成,此规格在温度范围内有效。对于特定旋转速率,例如在偏航轴上,正交轴的速率输出等于CrossAxisSensitivity*YawRate,即使滚动轴和俯仰轴上的实际旋转为零。2%的跨轴误差通常会导致除了本有的陀螺仪噪声之外,还会增加一个数量级的轴外噪声;而此处IMU的0.087%灵敏度与本有的陀螺仪噪声水平达到精确平衡。

图1. MEMS IMU配置(ADIS16485)

可用带宽及其与跨轴相位匹配能力的关系对于多轴设计也至关重要。有些陀螺仪结构带宽有限,与总降噪有关,而有些结构带宽有限(通常低于100 Hz)是由于反馈电子器件中使用的传感器处理导致的。这可能导致通过传感器信号路径的相位相关误差波动增加,特别是在卡尔曼滤波器中。MEMS IMU的可用带宽为330 Hz,采用嵌入式的可调滤波系统,提供合理平衡的方法,最大程度地减少总误差源,并通过嵌入式滤波实现系统特定的误差优化,即便在场中也是如此。

在此MEMS IMU中使用的核心传感器具有固有的振动抑制能力和线性度,不仅使得它们的性能适合高动态应用,而且还在极端环境条件下具有稳定性和可预测性。本设计使用的FOG是综合权衡价格、性能和尺寸这几种因素选择的。FOG的带宽、偏置稳定度和噪声水平是最终选择传感器的决定性因素。表2给出了重要的性能参数。与MEMS相比,FOG具有更好的偏置稳定度,角向随机游动也有了显著改进。

表2. FOG规格(uFors-6U)

导航软件

实时导航软件在1,000 Hz下处理解决方案,结合使用传统的SINS机制和测量更新。测量更新来自多个来源,包括:

1. GNSS位置和速度
2. 双天线航向更新
3. 磁力计航向更新
4. 气压计高度更新
5. 来自车辆OBDII的可选速度更新

所有更新都用于纠正仅INS解决方案的漂移,但更新本身也可能中断或不准确。双天线航向更新具有良好的精确度,但易受多路径影响。因此,双天线航向更新仅在开放天空环境中是可靠的。对于来自GNSS接收器的位置和速度预测,情况同样如此,也会从SBAS受益。

来自磁力计的航向预测可能由于在校准期间的垂直可观察性不佳,而受到较大倾斜角的影响。磁力计在含铁物质周围也可能不精确,例如在其他车辆旁边行驶时。因此,磁力计用于在GNSS不可用时帮助初始化系统,或在GNSS长时间中断时(例如20分钟)帮助减小航向漂移。

气压计用于在GNSS不可用或不精确时帮助获取高度读数。速度更新用于在没有GNSS更新的情况下防止速度漂移,特别是在沿航迹方向。这些速度更新也可帮助减少解决方案的位置不确定性,这有助于抑制不准确的GNSS位置更新。整个导航软件的设计目的是在任何GNSS条件下提供精确结果。

导航测试

为了正确比较两个系统,我们设计了三个系统级导航基准测试:

1. 在具有良好GNSS信号的开放天空环境下评估滚动、俯仰和航向的精确性。

2. GNSS多路径场景,例如在城市中心区,由于存在高层建筑,GNSS解决方案质量可能不好。本测试的目的是比较滤波位置性能,它也会显示高度和速度误差。

3. 仅INS性能测试,旨在评估INS位置漂移,也代表速度和高度性能。

开放天空高度结果

在GPS可用且位于多个卫星的直射范围内的情况下,两个系统的定位和速度结果是相似的。方位角(滚动、俯仰和航向)是我们比较的主要导航参数,因为它们在很大程度上是由陀螺仪性能决定的。

表3. 开放天空高度结果

当GNSS可用时,两种系统的高度性能几乎是相同的,但FOG具有大约5%的优势。

不良信号GNSS定位结果

下一个测试的目标是在存在GNSS多路径的情况下比较两个系统。行驶轨迹位于卡尔加里市的中心城区,包括一些很窄的小巷,车行缓慢,同时周围布满高层建筑。现在,性能测试重点包括了定位结果,因为在缺少高质量GNSS测量的情况下,陀螺仪可能对位置性能产生很大影响。此测试结果显示两个系统的性能相当。但是,FOG系统高出大约20%至30%。

图2显示了仅GPS解决方案的示意图。在对复杂的中心城区行驶轨迹进行导航时,本测试使用的高精度GPS接收器遇到了严重的信号反射。仅GPS解决方案的误差多达100米。

图2. 多路径下仅使用GPS的结果

红色的FOG集成解决方案(图3)清晰显示中心城区车辆的行驶路径,精确到10米以内。

图3. FOG/GPS集成解决方案(FOG+GPS为红色,仅GPS为蓝色)

MEMS解决方案在图4中以绿色显示,始终在15米之内。该解决方案更易受到不精确GNSS位置更新的影响,因为INS预测的权重较低。

图4. MEMS/GPS集成解决方案(MEMS + GPS为绿色,仅GPS为蓝色)

为帮助MEMS解决方案克服不精确的GPS更新,我们使用了额外的传感器。图5显示将OBDII添加到系统以获取车辆速度。

图5. MEMS/GPS/OBDII集成解决方案(MEMS + GPS + OBDII为绿色,仅GPS为蓝色)

MEMS解决方案始终在10米之内,甚至可能稍优于没有OBDII的FOG,如图6中的放大图所示。

图6.带有 OBDII的MEMS(绿色)与没有OBDII的FOG(红色)、仅GPS(蓝色)比较

仅INS结果:示例和基准

两个系统之间的最后一项比较是仅INS导航测试。系统使用开放天空GNSS更新进行融合。然后断开两个系统的天线连接,持续4.5分钟,位置漂移用作性能指标。在此时间内行驶的距离约为5500米。
图7显示了整个轨迹。蓝色直线从右下方延伸至左上方,在右下方GPS断开连接,在左上方GPS重新连接。

图7. 仅INS测试路径

在这次GNSS中断期间,FOG系统的运行情况很好,最大漂移为7米,如图8所示。5分钟之后,FOG系统的典型漂移性能基准测试结果为25米,因此这次特殊中断的情况略好于典型性能。

图8. 仅FOG漂移

在没有GNSS更新的情况下,MEMS系统在4.5分钟之后的漂移为75米。此类漂移大多为沿航迹误差,主要是由于加速计导致的。MEMS系统的基准测试结果是在没有GNSS更新的情况下,5分钟后的典型漂移为75米,比FOG漂移大三倍左右。

图9. 仅MEMS漂移

为MEMS系统添加OBDII更新之后,漂移改进至小于10米,与FOG解决方案相当。在没有GNSS更新的情况下,带有OBDII的MEMS系统的典型基准性能在5分钟之后产生大约30米的位置漂移,也与FOG基准结果相当。

图10. 带有OBDII的MEMS系统的漂移

结束语

FOG和MEMS两者相比非常接近,特别是现在MEMS的性能正在接近FOG战术级性能水平。FOG仍然在性能上具有优势,但其成本却比MEMS高出10倍。如果可以使用GNSS,而且应用的目的是在开放天空环境中运行,则MEMS可以取代一些低端FOG。如果应用的目的是在信号不良的GNSS环境中使用,MEMS也可以取代一些FOG 系统,但性能要低20%至30%。

在独立INS性能方面,FOG仍然具有优势,但如果应用能够接收车辆或平台速度更新,则MEMS系统可以达到与独立FOG系统相同的性能水平。

随着MEMS技术的持续进步,以及其他传感器(例如OBDII)的辅助,MEMS取代FOG技术可能在不久的将来实现。

作者简介

Chris Goodall博士在Trusted Positioning Inc.担任CEO/CTO职位,也是该公司的共同创始人。Chris在长达8年时间内始终致力于开发、部署和推广多传感器导航系统。他在滑铁卢大学获得系统设计工程专业的艺术和科学学士学位,并在卡尔加里大学获得测绘工程专业博士学位。Chris发表了40多篇文章,并且申请了6项与集成导航相关的专利。

Sarah Carmichael在Trusted Positioning Inc.担任营销专员,负责所有形式的营销和公关材料。Carmichael在卡尔加里大学Haskayne商学院获得营销专业的商学学士学位。

Bob Scannell是ADI公司惯性MEMS产品的业务开发经理。他在ADI公司工作已超过15年,先后从事传感器、数字信号处理、无线产品的各种技术营销和业务开发工作。之前他曾在Rockwell International公司从事设计和市场方面的工作。他拥有美国加州大学电气工程学士学位和美国南加州大学计算机工程硕士学位。

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