顯微鏡下的MEMS結(jié)構(gòu)(注意圖片上的刻度,是微米哦)
卡西歐早年就以電機(jī)馬達(dá)、繼電器等機(jī)電產(chǎn)品聞名。如今的卡西歐本身就是MEMS的制造商之一,用MEMS的思路解決傳統(tǒng)機(jī)械手表遇到的問(wèn)題是卡西歐的拿手好戲。所以,PRO TREK嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是一塊真正電子表,它的三重感應(yīng)器的功能也是以電路的形態(tài)集成到SoC芯片里面的。
PRO TREK內(nèi)部的傳感器元件
根據(jù)卡西歐官方提供的資料,第三代“三重感應(yīng)器”的壓力、溫度、地磁傳感器均使用了MEMS技術(shù),其中最重要的地磁傳感器集成到了一顆芯片里面(SoC),傳感器的本體結(jié)構(gòu)和微執(zhí)行器、信號(hào)處理器、控制電路、通訊接口和電源等部件通過(guò)電路緊密的聯(lián)系在一起,一次性就能完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸,并將準(zhǔn)確的結(jié)果通過(guò)表盤(pán)上的各種指示反饋給用戶,大幅度提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平。
MEMS應(yīng)用范圍很廣,封裝應(yīng)根據(jù)實(shí)際終端應(yīng)用要求(如保護(hù)性、氣密性、散熱性等)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
消費(fèi)電子/移動(dòng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)MEMS市場(chǎng)快速成長(zhǎng),復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)13%。
未來(lái)5年通信和醫(yī)療應(yīng)用增長(zhǎng)最快,復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)20%。
工業(yè)MEMS應(yīng)用也不錯(cuò),復(fù)合年增長(zhǎng)率為13%。
智能手機(jī)中的MEMS和傳感器
智能手機(jī)中使用到很多MEMS器件,如加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤(pán)、壓力傳感器、硅麥克風(fēng)、圖像傳感器、MEMS微鏡、BAW濾波器和雙工器、射頻開(kāi)關(guān)、TCXO振蕩器/諧振器等。
隨著智能手機(jī)出貨量的迅速增長(zhǎng),移動(dòng)產(chǎn)業(yè)正逐步轉(zhuǎn)向一個(gè)復(fù)雜的遙感平臺(tái),而MEMS和傳感器是該系統(tǒng)中最重要的一環(huán),每個(gè)MEMS器件的增長(zhǎng)都是令人印象深刻的。
對(duì)MEMS封裝、組裝和測(cè)試的影響
MEMS的封裝、組裝、測(cè)試和校準(zhǔn)(包括基底成本)占整個(gè)MEMS模塊成本的35%-60%。
MEMS封裝類(lèi)型比標(biāo)準(zhǔn)IC封裝更為復(fù)雜,因?yàn)镸EMS封裝需要“System-in-Package”。
此外,大多數(shù)MEMS封裝需要符合最終應(yīng)用環(huán)境。
MEMS封裝從定制化小批量發(fā)展到量產(chǎn)必須標(biāo)準(zhǔn)化,這樣才能保證降低MEMS傳感器成本、實(shí)現(xiàn)大批量出貨。
MEMS加速度計(jì)成本分析
消費(fèi)類(lèi)加速度計(jì)成本分析
汽車(chē)類(lèi)加速度計(jì)成本分析
慣性MEMS封裝的技術(shù)演進(jìn)
MEMS定律正在改變
MEMS麥克風(fēng)封裝的關(guān)鍵要素
MEMS模塊封裝:關(guān)鍵制造步驟
MEMS封裝趨勢(shì)
組合傳感器封裝發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)SOC/SiP組合所有運(yùn)動(dòng)傳感功能:
MEMS測(cè)試介紹
MEMS產(chǎn)業(yè)的特異性:電學(xué)測(cè)試+機(jī)械測(cè)試
MEMS慣性傳感器最后階段的測(cè)試和校準(zhǔn)
根據(jù)IHS Markit(消費(fèi)者和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)傳感器——2017年)的數(shù)據(jù),無(wú)人機(jī)和玩具直升機(jī)中MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器(即加速度計(jì)、陀螺儀、IMU和壓力傳感器)的市場(chǎng)至2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到約7000萬(wàn)臺(tái),而其2018至2021復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)到17%。
MEMS傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行性能的影響
得益于采用慣性MEMS傳感器,無(wú)人機(jī)可確保其方向穩(wěn)定,并可由用戶精確控制,甚至可自主飛行。然而,一些挑戰(zhàn)使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜,例如電機(jī)未完美校準(zhǔn),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可能根據(jù)有效載荷而變化,操作條件可能出現(xiàn)突變,或傳感器存在誤差。這些挑戰(zhàn)會(huì)造成定位處理偏差,并最終導(dǎo)致導(dǎo)航期間的位置偏差,甚至造成無(wú)人機(jī)失效。
要使無(wú)人機(jī)超越玩具的范疇,高品質(zhì)MEMS傳感器和先進(jìn)軟件至關(guān)重要。無(wú)人機(jī)的慣性測(cè)量單元(IMU)、氣壓傳感器、地磁傳感器、應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)(ASSN)和傳感器數(shù)據(jù)融合的精度對(duì)其飛行性能有著直接和實(shí)質(zhì)的影響。
尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和操作條件(如溫度變化和振動(dòng))將對(duì)傳感器的要求提升到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響,并提供精確、可靠的測(cè)量。
有多種方法可以實(shí)現(xiàn)出色的飛行性能:軟件算法,如傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合;機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),例如減少振動(dòng),以及根據(jù)無(wú)人機(jī)制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們仔細(xì)研究一下MEMS傳感器并參考部分示例。
無(wú)人機(jī)的核心在于其姿態(tài)航向參照系統(tǒng)(AHRS),其中包括慣性傳感器、磁力計(jì)和處理單元。AHRS估算設(shè)備定位,例如滾動(dòng)、俯仰和偏航角。傳感器誤差(如偏移、靈敏度誤差或熱漂移)會(huì)導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。圖1顯示了加速度計(jì)偏移函數(shù)形式的定位誤差(滾動(dòng)、俯仰角),這通常是造成傳感器連續(xù)誤差的核心根源。例如,僅20 mg的加速度計(jì)偏移便會(huì)導(dǎo)致設(shè)備方向出現(xiàn)1度誤差。
圖:加速度計(jì)偏移引起的傾斜誤差
慣性測(cè)量單元(IMU)
IMU包括加速度傳感器和陀螺儀,以及相應(yīng)的嵌入式處理程序。這使其能夠在線性移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方面識(shí)別運(yùn)動(dòng)。
Bosch Sensortec的BMI088是一款六軸IMU,具有低噪聲16位加速度計(jì)和低漂移16位陀螺儀。這種高精度設(shè)備的技術(shù)源自高端汽車(chē)傳感器,因此可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供出色的偏置和溫度穩(wěn)定性,并具有高振動(dòng)穩(wěn)定性,使其成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的理想選擇。
圖顯示了BMI088在不同溫度下的典型偏移漂移。
圖:BMI088在不同溫度下的典型零重力和零速率偏移漂移
所示的加速度計(jì)偏移漂移范圍僅為10 mg,而陀螺儀傳感器的偏移漂移則小于0.5 dps。此外,BMI088隨溫度變化呈現(xiàn)線性趨勢(shì),且滯后非常小。這使得BMI088十分適用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用。
氣壓傳感器
無(wú)人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測(cè)量高度,并與IMU的高度控制讀數(shù)結(jié)合使用。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準(zhǔn)確性。
如今,結(jié)合諸如GPS和光流等附加傳感器,距離傳感器可用于提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。
Bosch Sensortec的新型BMP388氣壓傳感器提供高度信息,以改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸性能。這使得無(wú)人機(jī)控制輕而易舉,由此吸引更廣泛的用戶。
對(duì)無(wú)人機(jī)中壓力傳感器的要求通常非??量?。由于受到不理想天氣和溫度條件的影響,高度精度必須保持在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi),而且傳感器必須具有低延遲性,以及在長(zhǎng)時(shí)間下的極低漂移。BMP388滿足這些苛刻要求,相對(duì)精度達(dá)+/-0.08 hPa(+/- 0.66m),絕對(duì)精度為300至1100 hPa +/- 0.5 hPa,低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有極具吸引力的性價(jià)比、低功耗和僅為2.0 x 2.0 x 0.75mm³的極小封裝尺寸。
除了TCO改進(jìn)之外,還有多種因素有助于提高整體精度:相對(duì)準(zhǔn)確度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對(duì)精度。從笨拙的玩具到高精度飛機(jī);只要工程師想得到,目前創(chuàng)新工業(yè)和商業(yè)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用潛力可以說(shuō)無(wú)邊無(wú)際。
磁力計(jì)
磁力計(jì)如同一部指南針,可以根據(jù)地球的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一個(gè)例子,這是一部三軸數(shù)字地磁傳感器。
BMM150與BMI088型IMU結(jié)合使用,可提供九自由度(DoF)解決方案,用于航向估算和導(dǎo)航。在寬泛溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性能、16位分辨率和抗強(qiáng)磁場(chǎng)的能力(無(wú)磁性可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器偏移)使BMM150非常適合無(wú)人機(jī)應(yīng)用,并最大限度地減少了傳感器偏移校準(zhǔn)所需的工作量。
應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)
應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)(ASSN)提供高度集成的智能傳感器集線器,將多個(gè)傳感器組合在一個(gè)封裝中,并配有可編程微控制器。它為運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用提供靈活的低功耗解決方案。
例如,Bosch Sensortec的BMF055是一款帶有集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN,用于包括傳感器輸出在內(nèi)的軟件管理。BMF055與定位處理軟件相結(jié)合可用作AHRS。該設(shè)備采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封裝,節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無(wú)人機(jī)應(yīng)用提供了一體化封裝。圖3展示了BMF055在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中作為具有集成傳感器融合算法的定位處理單元的使用。
圖:BMF055(ASSN)在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中用作AHRS。