Волна рынка МЭМС-датчиков может простираться от самой ранней автомобильной электроники до бытовой электроники последних лет и наступающей эры Интернета вещей. В настоящее время один датчик уже не может удовлетворить потребности людей в функциональности и интеллектуальности. Объединение данных нескольких датчиков, таких как инерционные МЭМС-датчики, экологические МЭМС-датчики, оптические МЭМС-датчики и даже биосенсоры, станет тенденцией применения датчиков в новую эпоху.
Чтобы сделать хорошую работу, мы должны сначала отточить наши инструменты. Здесь мы начнем с МЭМС-гироскопа. Мы кратко представим гироскоп МЭМС, его основные рабочие параметры и область применения.
Традиционный механический гироскоп в основном использует принцип сохранения углового момента, т.е. для вращающегося объекта направление оси вращения не меняется при вращении несущей его опоры. В МЭМС-гироскопах в основном используется принцип действия силы Кориолиса (тангенциальной силы, возникающей у вращающегося объекта при его радиальном перемещении). В раскрываемых микромеханических гироскопах используется концепция измерения угловой скорости вибрирующих объектов, а для создания и обнаружения силы Кориолиса используется вибрация.
Основу МЭМС-гироскопа составляет микромеханический блок, который резонирует по принципу вибрирующей вилки и преобразует угловую скорость в смещение определенной чувствительной структуры по принципу силы Кориолиса. На примере одноосного гироскопа со смещением (рысканьем) простейший принцип работы рассмотрен на графике.
Две одинаковые массы совершают горизонтальные колебания в противоположных направлениях, как показано горизонтальной стрелкой. При внешнем воздействии угловой скорости возникает сила Кориолиса, направление которой перпендикулярно направлению движения массы, как показано вертикальной стрелкой. Возникающая сила Кориолиса смещает чувствительную массу, причем смещение пропорционально приложенной угловой скорости. Поскольку подвижный электрод (ротор) чувствительной части датчика расположен сбоку от неподвижного электрода (статора), смещение сверху вызовет изменение емкости между статором и ротором. Таким образом, угловая скорость, приложенная на входной части гироскопа, преобразуется в электронный параметр - емкость, который может быть определен специальной схемой.
Разумеется, МЭМС-гироскоп имеет и другие функциональные модули, такие как схема самодиагностики, схема низкого энергопотребления и схема пробуждения движения.
Ниже описаны основные рабочие параметры МЭМС-гироскопа.
Динамический диапазон
Разрешение по чувствительности
Нулевой выход угловой скорости (нулевой выход)
Межосевая чувствительность
Масштабный коэффициент
Нелинейность
Чувствительность к линейному ускорению
Чувствительность к вибрации
Стабильность смещения нуля
Плотность шума
Угловая система случайных перемещений
Полоса пропускания
Чувствительность к напряжению смещения
Функция самопроверки
Трата мощности
Устойчивость к ударам
Диапазон рабочих температур
Погрешность упаковки
Диапазон работы гироскопа обычно выражается максимальным значением входной угловой скорости в прямом и обратном направлениях, например +/- 300 град/сек. Чем больше это значение, тем сильнее способность гироскопа воспринимать угловую скорость. В этом диапазоне входной угловой скорости нелинейность масштабного коэффициента гироскопа может удовлетворять заданным требованиям. В общем случае диапазон гироскопа может быть настроен.
Под чувствительностью (разрешением) понимается приращение минимальной входной угловой скорости, которая может быть воспринята при заданной входной угловой скорости, например, 0,05 град/сек/ LSB. В общем случае, чем больше диапазон измерения МЭМС-гироскопа, тем ниже чувствительность.
Под масштабным коэффициентом (scale factor) понимается отношение выходного сигнала гироскопа к входной угловой скорости. Это отношение выражается наклоном определенной прямой, которая получается путем подгонки входных и выходных данных, измеренных во всем диапазоне входной угловой скорости, методом наименьших квадратов.
Нелинейность - это отношение максимального отклонения и максимальной мощности выходного сигнала гироскопа к прямой линии, подогнанной по методу наименьших квадратов в диапазоне входной угловой скорости, которое отражает степень отклонения реальных входных и выходных данных гироскопа и определяет достоверность подгоночных данных.
Чувствительность к линейному ускорению отражает чувствительность гироскопа к ускорению, единица измерения - градус/сек/град.
Виброчувствительность - это чувствительность гироскопа к вибрации, единица измерения - градус/сек/Г2. Чем меньше чувствительность гироскопа к линейному ускорению и вибрации, тем лучше его характеристики и тем эффективнее алгоритм.
Под нулевым смещением понимается выход гироскопа в состоянии нулевого входа, который выражается эквивалентным преобразованием среднего значения выхода за длительное время во входную угловую скорость, то есть дисперсией наблюдаемого значения вокруг нулевого смещения, например, 0,005 град/сек означает, что оно будет дрейфовать на 0,005 град в секунду. Длительное время установившийся выходной сигнал при нулевом входном воздействии является устойчивым стохастическим процессом, то есть установившийся выходной сигнал будет колебаться и флуктуировать вокруг среднего значения (нулевого смещения), что обычно выражается средним квадратическим отклонением, которое определяется как устойчивость нулевого смещения. Начальную погрешность нулевого смещения можно понимать как статическую погрешность, которая не будет изменяться со временем и может быть откалибрована программно.
Когда гироскоп находится в состоянии нулевого входного сигнала, падающий выходной сигнал представляет собой суперпозицию белого шума и медленно меняющейся случайной функции. Диффузная случайная функция может быть использована для определения смещения нуля и индекса стабильности смещения нуля. Белый шум определяется как среднеквадратическое отклонение эквивалентной угловой скорости вращения под квадратным корнем из единичной полосы детектирования, в (градус / сек / √ Гц или градус / HR / √ Гц). Этот белый шум может быть также выражен угловым коэффициентом случайного блуждания в единицах градус / √ Гц. Коэффициент случайного гуляния - это коэффициент ошибки выходного сигнала гироскопа, накапливающийся с течением времени под воздействием белого шума. При неизменных внешних условиях можно считать, что основные статистические характеристики различных шумов, рассмотренных выше, не изменяются с течением времени.
Под чувствительностью по напряжению смещения понимается чувствительность выхода гироскопа к изменению напряжения питания, например, 0,03 град/сек/В, то есть насколько изменяется выходная угловая скорость при изменении напряжения питания на 1 В.
Под полосой пропускания понимается диапазон частот, в котором гироскоп может точно измерять входную угловую скорость. Чем больше диапазон, тем выше динамические характеристики гироскопа.
Функция самотестирования автоматически проверяет механическую часть устройства и КМОП-схемы перед использованием, обеспечивая надежность системы.
Потребляемая мощность включает в себя потребляемую мощность и мощность в спящем режиме, когда гироскоп работает с разным разрешением или разной скоростью вывода данных. Этот показатель особенно важен в приложениях с низким энергопотреблением, таких как носимые устройства и приложения Интернета вещей.
Под устойчивостью к ударам понимается способность гироскопа в разной степени выдерживать ударное ускорение. Например, гироскоп обеспечивает нормальную работу системы после воздействия ускорения 2000g. Учитывая, что среда применения гироскопа может подвергаться сильным ударам, этот показатель особенно важен. Обычно гироскоп зависает, когда ускорение выходит за пределы его диапазона, и для нормальной работы его необходимо перезапустить и включить питание.
Механическая структура МЭМС-гироскопа определяет, что температура влияет на выходные данные, и выход за пределы рабочего диапазона температур может привести к большому отклонению выходных данных.
Погрешность упаковки - это угол между диагональю матрицы и диагональю упаковки. Компания Join Sunny предлагает гироскоп MEMS навигационного уровня и гироскоп MEMS уровня поиска севера. Если вам нужна дополнительная техническая информация о гироскопе, пожалуйста, обращайтесь к нам.