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【技术干货】影响MEMS传感器精度的三大因素分析

发布日期:2022-05-11 点击率:126

MEMS传感器起始于汽车和工业,但这十年真正推波助澜的是消费类电子。如今,MEMS的下一波浪潮有望重新回到汽车和工业。因为,相比起消费电子市场很大但会很快退潮的特点,工业应用需求更强,生命周期也更长。

汽车应用里,汽车导航通常用GPS,MEMS惯性传感器作为辅助测量,以覆盖GPS的盲区。因此MEMS传感器就要有高精度,通常整个系统的精度要达到“米”级,也就是至少车辆、行人在你自己看得到的地方。这个米的级别并不是一个时间点,是累积的,因为传感器的挑战是参数会随着温度、时间而漂移,有很多参数影响它。自动驾驶对精度的要求更高,目前客户要求精度要在20厘米以内。

既然精度这么重要,那么MEMS传感器提高精度的方法有哪些呢?

从传感器原理来看,通常采用著名的传感器精度衡量方法——阿伦方差(AVAR)。但做传感器产品时有一些物理的局限性不可规避。例如MEMS传感器里一部分是机械结构,它会老化,且会随着温度和时间会有变化。这些参数解释成电子的术语就是背景噪声、白噪声或者不稳定、随机的抖动。其控制方法要用生产或者矫正的方法来做。

噪声

噪声包括本身机械结构产生的噪声,还有闪变噪声和高频噪声。高频噪声是传感器在应用时的数字输出,在任何电子线路里会有电磁耦合现象。因此在处理时,传感器厂商要有足够的经验帮助客户在算法上规避或抑制、消除掉这些噪声。


稳定性

时间的稳定性毋庸置疑是解决老化,例如今天输入1出来100%,明天输入1出来99%,就要控制输入稳定性。温度的稳定性,指产品特性在0℃和50℃时肯定不一样,你要尽量在设计中消除和平衡温度的影响。重复测试的稳定性,数据线路中输入1输出0,如果达不到0就是错。


误差

测量没有百分之百的准确,因为它是模拟的,因为内部整个链路还是模拟的,信号产生源是模拟的。因此,需要考虑偏移、灵敏度、非线性误差(NL)、交叉轴误差(CX)。


那么如何提高精度呢?这就需要改善设计和制造工艺。在MEMS器件中,设计和制程只占了20%工作量,还有80%是测试和校准。这意味着同样一个MEMS传感器,如果测试、校准做得更精细的话,它完全可以从精度只有5%提升到1%甚至更低。因为MEMS器件看起来输出的是数字,但里面是非常模拟的,甚至比模拟电路还模拟,因为里面有机械结构。在测试和校准方面采用一点测试还是三点测试、十点测试?是随时间调校还是只测一次?这些方法都会影响到精度。

实际应用中还有哪些因素会影响MEMS传感器的精度呢?

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