利用MEMS慣性傳感器改善控制

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　　最近的傳感器技術發展使得機器人和其他工業系統設計實現了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統性能或功能的應用還包括：平臺穩定、工業機械運動控制、安全/監控設備和工業車輛導航等。這種傳感器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業應用處在惡劣的物理環境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數據，將其轉換成有用的信息，然后在系統的時序和功耗預算內做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經驗，并且遵循良好的設計規范。

　　了解問題

　　來自慣性傳感器的信息經過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出(見圖1)。每種類型的運動都涉及到一系列應用相關的復雜因素，對此必須加以了解。工業控制應用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉向設備對這些應用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應用的核心任務，在最簡單的范例中，機械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統的完整運動動力學特性、環境、壽命周期和可靠性預期。

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　　圖1 當今的慣性傳感器能夠檢測多種運動類型

　　如果系統的運動相對而言為靜態，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術決策取決于響應時間、沖擊和震動、尺寸、整個使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統涉及到多種類型的運動(如旋轉和加速度等)，而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結合在一起。

　　一旦知道正確的傳感器類型和技術后，挑戰便轉移到了解和最終補償傳感器對環境(溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量)的反應。環境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態調整，而每種類型的傳感器，甚至每個傳感器都是獨一無二的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅使許多設計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。

　　線性速率抑或角速率

　　慣性傳感器有多種類型。MEMS(微機電系統)傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經使眾多應用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器(加速度計)徹底革新了汽車安全氣囊系統。自此以后，從筆記本電腦硬盤保護到游戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現。

　　根據諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結構各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅動到諧振狀態，以產生必要的運動，從而在旋轉期間產生科氏力。在各框架的兩個外部極限處(與擾動運動正交)是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結構來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀旋轉時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調級，產生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經轉換，送入一個專有數字校準電路。

　　傳感器內核周圍的集成度和校準由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進行運動校準，以便實現最高的性能水平和穩定性。