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惯性传感器工作原理：MEMS惯性传感器

? MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是指集机械元素、微型传感器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS惯性传感器可构成低成本的INS/ GPS 组合导航系统 ,是一类非常适合构建微型捷联惯性导航系统的惯性传感器。MEMS惯性传感器的突出特点使其在众多的民用和军用领域具有广阔的应用前景。

? ? MEMS惯性传感器的背景状况

? ? MEMS技术最早由Richard ?Pfeynman（1965年获得诺贝尔物理奖），在1959年提出设想。1962年硅微型压力传感器问世。　　

? ? 1979年Roylance和Angell开始压阻式微加速计的研制。1991年Cole开始电容式微加速度计的研制。　　

? ? 惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）和角速度传感器（陀螺）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），AHRS（包括磁传感器的姿态参考系统）。　　

? ? MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，一般由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。根据传感原理不同，主要有压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式、热电耦合式和电磁式等。　　

? ? 1998年，美国CSDL设计研制了最早的MEMS陀螺。同年，Drapor实验室研制了另一种形式的MEMS陀螺。　　 ? ? MEMS陀螺是利用震动质量块被基座（壳体）带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成。　　

? ? 主要形式有框架驱动式（内、外框架两种）梳状驱动式、电磁驱动式等。　　

? ? IMU由于是MEMS技术组合的微型惯性测量单元，所以很多地方称为MIMU。主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺及解算电路组成。　　

? ? AHRS则为包括三个磁传感器的IMU，并且依据四元素法进行了解算，直接可输出一个运动体的俯仰角、横滚角和航向角。　　

? ? 低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统、GPS导航等便携式。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。　　

? ? 中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统（ESP或ESC）GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。　　 ? ? 高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。

MEMS惯性传感器的工作原理

? ? MEMS惯性传感器是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础,在单晶硅片上制造出来的微机电系统,包括微机械加速度计、微机械陀螺仪和微惯性测量组合(MIMU)。MEMS 惯性传感器的工作原理是经典力学中的牛顿定律,其功能是测量运动物体(如车辆、飞机、导弹、舰艇、人造卫星等)的质心运动和姿态运动,进而可以对运动物体实现控制和导航。MEMS惯性器件与非MEMS惯性器件相比,其体积和价格可减少几个数量级,对国防具有重大战略意义。基于MEMS惯性器件构建低成本、高性能的微型惯性导航系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。

MEMS惯性传感器的测试

? ? MEMS惯性传感器的测试跟一般的IC测试之不同在于它需要外界的刺激，因此除了自动化测试设备（ATE）、ATE界面板（DIB）和器件巢板（DUT board）等常见的配置外，还需要一个极其重要的设备——产生和传递刺激（stimulus）的设备。这个设备是用户化了的，不同的传感器特别是不同类型的传感器所使用的不同、甚至完全不同。因此这样的设备往往不是工业标准化的，客户在设计新的惯性传感器的同时必须跟设备制造商一起开发相应的设备。这个开发的成本是非常昂贵的，以百万美元计。哪怕是改一下传感器封装外形，测试面或腔必须重新设计，一般需20万美元、8到12周。如果没有代理测试的工厂，小公司即使能设计生产惯性传感器，也很难大批量销售。　　

? ? 另外，测试时间是影响产品成本的一个重要因素，尤其是惯性传感器，因为机械的刺激往往比一般的电路测量慢得多。而且，机械刺激在触发后必须等待足够的时间才稳定，还必须在关掉后等待足够的时间才完全消失。为缩短测试时间，除了改进设备的力学设计外，提高测试并行度是立竿见影的办法。

MEMS传感器的应用领域

? ? MEMS微惯性传感器主要应用领域是汽车、惯性导航、消费品电子、IT附件。下图所示的是汽车中的MEMS应用，可以看到加速度计和陀螺仪占有很大的比例。目前由于微陀螺仪的价格较高，其应用的潜力还没有完全开发，但如果技术上出现突破大大降低陀螺仪的生产成本，那么在导航系统中将会有很大的市场潜力。

? ? 未来的微惯性器件主要的发展方向是在在满足民用需求的精度和稳定度的前提下，尽量小型化和降低价格。尤其是陀螺仪，只有降低陀螺仪的价格，集成的IMU(inertia measurement unit,包含3个陀螺仪，3个加速度计)才能够在汽车导航，娱乐性电子的中的虚拟现实（运动感受）中得到广泛的应用。

MEMS惯性传感器的发展趋向

? ? MEMS惯性传感器的发展趋势主要有以下几个方面：　　

? ? 1、技术方面：精度将不断提高，以陀螺为例，有替代低精度光纤陀螺的趋势。对消费类应用，更寻求进一步简化制造工艺，降低成本的趋势。同时，集成化也是未来发展的趋势，不仅模块制造商走软件、硬件集成的路子，越来越多的上游芯片厂家也走集成块的技术路线。因而不断有双轴、三轴加计、陀螺芯片问世。　　

? ? 2、竞争力方面：消费类将竞争最为惨烈，新厂家将不断涌进，比投资、比规模将是必然趋势。上下游相互倾轧、收购、重组将会上演。　　

? ? 3、合作方面：由于产品细分的缘故全球竞争与合作必然结果。上游厂家希望找到下游客户，下游希望寻找合适的供应商，因而产业联盟可能出现。　　

? ? 4、应用方面：无疑无论是消费类应用，工业级军工级应用，市场会急骤扩大，应用会越来越广泛。

? ? 注意：目前的智能手机（包括Android和Iphone）里面都集成有MEMS惯性传感器，所以就可以开发各种各样好玩的游戏和项目！

惯性传感器工作原理：一文读懂汽车MEMS惯性传感器的七大应用（上）

　　当前，微机电系统（MEMS）传感器已被大多数汽车工程师视为尖端技术或边缘技术，以寻求提高性能、降低成本并增强家用轿车的可靠性。实际上，在过去的十年中，汽车中已经使用了数亿个MEMS传感器。
MEMS惯性传感器
　　但是，MEMS传感器中的许多传感器（例如MEMS压力传感器）只是用更便宜、更可靠的设备替代了旧技术，相比之下，MEMS惯性传感器实现了许多理想的功能，这些功能在当今的汽车中越来越普遍。据了解，惯性传感器包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元)、AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。
　　在本文中，我们将研究汽车MEMS惯性传感器的应用，描述它们的工作原理，并讨论如何利用MEMS传感器来实现更大的应用改进。许多应用程序你可能很熟悉，因为它们已经在汽车中无处不在；一些应用程序（通常是最有趣的）虽然只出现在高端机型中，但未来注定会成为标准设备。
　　一、安全气囊控制的碰撞感测
　　用于安全气囊控制的碰撞感测是惯性MEMS传感器在汽车上最大的应用。在这种应用中，加速度计连续测量汽车的加速度，当该参数超过预定阈值时，微控制器计算加速度的积分（即曲线下的面积），以确定速度是否发生了较大的净变化。如果有的话，安全气囊就会被引爆，发射前安全气囊的决定必须在几十毫秒内做出，由于车门比方向盘或仪表板更靠近乘员，因此必须更快地决定是否启用侧气囊。
　　大约15或20年前，当安全气囊首次出现在汽车中时，安全气囊控制模块的制造商就依赖于分布在整个汽车中的g个开关（惯性开关，它由装在圆柱形外壳中的触点、球和弹簧组成）。这些开关没有提供有关所感测到的加速度性质的大量信息，它们只是提供开/关信号，告诉你加速度高于或低于阈值。因此，一个简单的中控台安全气囊控制模块需要几个开关（通常是3到7个）来确定加速度是路面不平还是撞车的结果。而且更糟糕的是，由于其触点g开关的可靠性、所需的长寿命以及高昂成本，因此将它们连接到整个汽车的多个位置增加了成本，降低了可靠性。
　　而将MEMS加速度计引入安全气囊控制模块实际上消除了将g开关用作安全气囊模块中的主要加速度传感器的麻烦，由于MEMS加速度计读取连续（模拟）测量值，因此可以在中央控制台中用一个MEMS设备替换g开关。随之而来的可靠性提高和安全气囊系统价格的下降有助于使其在汽车中普及。更重要的是，MEMS加速度计可以执行可靠的自检，从而使安全气囊模块处理器可以确定传感器的数据是否可靠或者是否必须对安全气囊模块进行维修。
　　MEMS加速度计通常控制侧面安全气囊。由于必须迅速做出火灾决定，因此没有时间等待传感器信号通过汽车底盘的传播，因此必须将卫星放置在它所控制的安全气囊附近。此外，由于冲击和加速度计之间实际上没有挤压区，因此测量范围必须在中控台加速度计上方。结果，许多配备有侧面安全气囊的车辆可能会为此增加两到四个MEMS加速度计。
　　某些车型上还增加了位于前保险杠后面的前视碰撞传感器，以帮助确定正面碰撞的严重性。将前视传感器的加速度信号与中控台加速度计的加速度信号进行比较，从而使安全气囊模块控制器可以调节安全气囊的充气速度，使其与汽车的减速速度匹配。在此，高g范围和紧凑尺寸也是该应用中的重要因素。
　　二、车辆动态控制（VDC）
　　车辆动态控制（VDC）系统可帮助驾驶员在汽车开始打滑时重新获得对汽车的控制，如果VDC正常工作，驾驶员甚至可能不知道系统干预了。
　　VDC系统由一个陀螺仪、一个低重力加速度计和每个车轮处的车轮转速传感器组成（ABS也可以使用车轮转速传感器）。测量车轮转速，并将汽车的预测偏航（或转向）速度与陀螺仪测得的速度进行比较。低重力加速度计还用于确定汽车是否在横向滑动，如果测得的横摆速度与计算出的横摆速度不同，或者检测到横向滑动，则可以使用单轮制动或减小扭矩来使汽车恢复原状。
　　在MEMS陀螺仪和加速度计出现之前，普通乘用车的VDC是不切实际的，常规的陀螺仪和加速度计将使汽车成本增加数千美元。事实上，用旋转质量和应变计制造的传统陀螺仪可能不够坚固，无法满足汽车市场10年以上的运行要求，即使是MEMS陀螺仪也几乎不能胜任这项任务。
　　典型的MEMS陀螺仪使用石英音叉，音叉的振动以及施加的角度旋转（汽车的偏航率）在音叉上产生科里奥利加速度，安装在音叉上的加速计或应变计测量微小的科里奥利力。
　　信号输出与音叉大小成正比。为了产生足够强的输出信号，音叉必须剧烈振动，最好用高Q结构来完成这个任务。制造商经常把音叉放在真空中，以尽量减少音叉周围空气的机械阻尼，因为高Q结构可能相当脆弱。
　　由于陀螺仪必须牢固地连接到汽车上才能准确地测量偏航率，因此陀螺仪经常会遭受冲击和振动。这种机械噪声可以将信号引入科里奥利传感器加速度计，该信号比音叉产生的科里奥利信号高几个数量级。将信号与噪声分开并不容易，通常，冲击或振动会使电路饱和，并使陀螺仪的输出在短时间内不可靠（这解释了为什么VDC警告灯偶尔会无故亮起的原因）。
　　传统的MEMS陀螺仪通常体积庞大（100cm3或更大的情况并不少见）。这部分是由于添加了机械式防振架的缘故，该防振架的安装可将对外部振动的敏感性降至最低。
　　不过，新型MEMS器件避免了这些缺点。例如，ADI公司的iMEMS陀螺仪为7x7x3mm（0.15 cm3），它不是使用石英，而是使用了共振多晶硅梁结构，该结构创建了向角速度显示时产生科里奥利力的速度元素。在与共振运动正交的多晶硅梁的外边缘，电容式加速度计测量科里奥利力。陀螺仪具有两组反相的光束，彼此相邻放置，并且它们的输出被差分读取，从而减弱了外部振动灵敏度。
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惯性传感器工作原理：什么是惯性传感器它是如何工作的

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惯性传感器工作原理：基于惯性传感器的动作捕捉系统工作原理

基于惯性传感器的人体动作分析与识别是模式识别的一个新兴领域，克服了传统基于视频的动作识别的诸多缺点和限制，具有更高的可操作性和实用性。通过固定在人体特定部位的惯性传感器采集人体的动作信息，通过无线传输模块传到PC 机，进而对数据进行预处理、特征提取和选择、动作分类。这些惯性传感器内部包括一个三轴加速度计、一个三轴磁力计、一个三轴陀螺仪，将三者集成在一起作为单个传感器节点，各节点之间通过无线通信组成无线传感网络，形成运动捕捉系统，捕获人体运动信息。
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航向角Yaw：定义为传感器芯片绕Z 轴转动的角度，在空间上是指芯片纵轴方向在水平面上的投影与地球子午线（即经度线）之间的夹角，即载体坐标系Y(b)轴在东北天坐标系水平面的投影与东北天坐标系中的Y(n)的夹角。从地理北极方向为开始顺时针转动方向为正，范围是[0°-360°]。
俯仰角Pitch：定义为传感器芯片绕X 轴转动的角度，在空间上是指芯片的纵轴Y(b)
轴与地理水平面之间的夹角，即载体纵轴Y(b)与其在东北天坐标系水平面上的投影之间的夹角。芯片抬头向上为正，向下为负，范围[-90°-90°]。
滚转角Roll：定义为传感器芯片绕Y 轴转动的角度，在空间上是指芯片的横轴X(b)与水平面之间的夹角，即芯片横轴X(b)与其在东北天坐标系水平面上的投影的夹角。芯片右面抬起为正，左面抬起为负，定义范围为[-180°-180°]。