Под МЭМС (микроэлектромеханической системой) понимается законченная микроэлектромеханическая система, объединяющая механические элементы, микродатчики, схемы обработки сигналов и управления, интерфейсные схемы, средства связи и питания. Инерциальный МЭМС-датчик позволяет сформировать недорогую интегрированную навигационную систему INS/GPS. Этот тип инерциальных датчиков очень удобен для создания миниатюрных инерциальных навигационных систем, работающих по принципу "страпдаун". Выдающиеся характеристики МЭМС-инерциальных датчиков обусловливают широкие перспективы их применения во многих областях гражданской и военной промышленности.
Общие сведения об инерциальном датчике на основе МЭМС
Технология МЭМС была впервые разработана Ричардом Пфейнманом (лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года) в 1959 году. В 1962 году появился кремниевый микродатчик давления.
В 1979 году Ройланс и Энджелл начали разработку пьезорезистивных микроакселерометров. В 1991 году Коул начал разработку емкостного микроакселерометра.
К инерциальным датчикам относятся акселерометры (или акселерометры) и датчики угловой скорости (гироскопы), а также их одно-, двух- и трехосевые IMU (inertial measurement unit) и AHRS (attitude reference system, включающая магнитные датчики).
МЭМС-акселерометр - это датчик, использующий для измерения силу инерции, возникающую при движении чувствительной массы, и обычно состоящий из стандартного блока массы (чувствительного элемента) и схемы детектирования. В соответствии с различными принципами зондирования существуют в основном пьезорезистивный, емкостной, пьезоэлектрический, туннельный токовый, резонансный, термоэлектрической связи и электромагнитный.
В 1998 году американская компания CSDL спроектировала и разработала самый ранний гироскоп на основе МЭМС. В том же году лаборатория Drapor разработала другую форму МЭМС-гироскопа. МЭМС-гироскоп выполнен с использованием эффекта Кориолиса, когда вибрирующая масса приводится в движение основанием (оболочкой) для определения угловой скорости.
Основными формами являются рамочный (внутренняя и внешняя рама), гребенчатый, электромагнитный и т.д.
IMU - это микроинерциальный измерительный блок, представляющий собой комбинацию МЭМС-технологий, поэтому во многих местах его называют MIMU. В основном он состоит из трех МЭМС-датчиков ускорения, трех гироскопов и схем решения.
AHRS представляет собой IMU с тремя магнитными датчиками и может непосредственно выдавать угол тангажа, угол крена и курсовой угол движущегося тела путем расчета по четырехэлементному методу.
Высокоточные инерциальные МЭМС-датчики используются в основном в мобильных телефонах, игровых приставках, музыкальных плеерах, беспроводных мышках, цифровых камерах, БП, защитных экранах жестких дисков, интеллектуальных игрушках, шагомерах, противоугонных системах, GPS-навигации и других портативных устройствах. Благодаря базовым измерительным функциям, таким как измерение ускорения, наклона, вибрации и даже вращения, области применения датчиков в потребительской электронике будут постоянно расширяться.
Промежуточные инерциальные МЭМС-датчики, как промышленные и автомобильные изделия, в основном используются в электронных системах стабилизации (ESP или ESC) автомобилей, навигационных системах с поддержкой GPS, автомобильных подушках безопасности, для измерения ориентации транспортного средства, в точном сельском хозяйстве, промышленной автоматизации, крупном медицинском оборудовании, роботах, приборах, инженерной технике и т.д. К высокоточным инерциальным МЭМС-датчикам, являющимся изделиями военного и аэрокосмического класса, предъявляются требования по высокой точности, полнотемпературному диапазону, ударопрочности и другим показателям. В основном они используются для обеспечения стабильности, например, в беспроводных спутниках связи, ракетных искателях, оптических прицельных системах и т.д.; для управления полетом самолетов/ракет, контроля ориентации, демпфирования рысканья и других приложений управления, а также для наведения ракет средней дальности, инерциальной GPS-навигации и других приложений наведения, приборов для самолетов и кораблей дальнего действия, боевых роботов и т.д.
Тестирование инерционного МЭМС-датчика
Отличие испытаний инерционного МЭМС-датчика от общих испытаний ИС заключается в том, что они требуют внешнего возбуждения. Поэтому, помимо таких распространенных конфигураций, как автоматическое испытательное оборудование (ATE), интерфейсная панель ATE (DIB) и плата гнезда устройства (DUT), требуется еще и чрезвычайно важное оборудование - оборудование для генерации и передачи стимуляции. Это устройство настраивается индивидуально. Разные датчики, особенно разных типов, используют разные или даже совершенно разные устройства. Поэтому такое оборудование часто не стандартизовано в промышленности. При проектировании новых инерционных датчиков заказчики вынуждены разрабатывать соответствующее оборудование совместно с производителями оборудования. Стоимость такой разработки очень высока и исчисляется миллионами долларов. Даже при изменении комплектации датчика необходимо заново разрабатывать испытательную поверхность или полость, что обычно обходится в 200000 долларов и занимает от 8 до 12 недель. Если нет завода по испытаниям датчиков, то даже если небольшие компании могут разрабатывать и производить инерционные датчики, их трудно продавать в больших количествах.