MEMS加速计校准提升工业应用中的精度

发布者:DataExplorer最新更新时间:2013-11-07 来源: 21ic关键字:MEMS  加速计校准  加速度 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
如今,汽车安全系统推动了MEMS惯性传感器技术的发展,也大量应用于几个大型领域。大批与汽车安全系统相关的应用促进了对MEMS制造技术,封装概念,质量保证系统以及设计方案创新等方面的巨大投资。这些投资导致了成本效益更高和更可靠的解决方案,这些方案也在许多其他领域里获取了利润。包括游戏平台(Wii Remote)以及许多移动手持应用。此外,MEMS传感器还发现了其他日益增多的工业应用,包括车间安全系统。其中设备位置传感,碰撞检测,防止吊车举起时翻车等都是车间安全系统方面的应用实例,所有这些都得益于MEMS加速计。

车间安全系统的任务是检测潜在的危险操作条件,但不能影响正常的操作。其中最为重要的就是用来检测危险操作条件的传感方案的精度。与其他绝大多数技术方案一样,MEMS加速计也存在成本性能之间的折中。对于汽车和商用应用来说,以最低成本来实现适度的性能即可。但对于一些工业应用,例如车间安全系统,则要求较高的精度。在这种应用中,可靠性,方便性以及方案的元器件成本都很重要。

随着高集成度和更精密的加速计产品的出现,系统设计师需要了解零件是如何校准的,因为这决定着他们是购买这些校准方案还是开发自己的校准程序。本文将讨论双轴加速计的校准工艺,并着重讨论最常见的误差源。

校准的目的和必要性

对于许多MEMS惯性传感器用户来说,校准为他们的传感方案提供了改进性能和折中系统成本的机会,如图1所示。图中所示的仅仅是一般的关系,而性能目标则由能够为用户增值的终端系统性能需求所驱动。

例如,高精度意味着防翻转系统在确定吊车的极限时无需过补偿。精度水平的最佳优化能够扩大吊车的服务范围,或起吊更重的载荷,且没有翻车的危险。所以,在安全传感系统中优化性能的底线就是能够为总系统增值。

与校准相关的成本增加包括直接的材料成本(如ADC,微机,PCB复杂度的增加,以及劳动力成本)和投资成本(校准设备夹具和工程开发成本),不过这些成本将被可预期的系统产品的批量所摊薄。任何校准过程的显要目标都是实现价值更高的性能,同时控制相关的成本。

一个MEMS校准方案的开发可以分为四个简单阶段:

1.确立性能目标
2.确定校准需求
3.设计校准工艺
4.实现校准规则

为加速计校准确立有价值的性能目标将为整个研发过程定调。首先,这些目标将指导传感器的选择,其次,将为分析过程提供指导,而这些分析过程将确定需要校准的行为,最终将决定校准过程的复杂度。这是很关键的,因为过度追求高于所需将导致过高的成本和开发时间。

于是很明显,这要求开发商及早了解加速计传感系统对最终系统性能目标的影响。尽管这种早期投资看起来是不方便的,但它却会导致更好的性能并创造更多的创新机会。本讨论将着重于当校准综合误差小于1%时需要考虑的领域。


图2:典型的加速计校准电路

误差敏度分析:一个用来提供校准的加速计性能的典型电路如图所示。该误差分析确定了每个器件对整个系统精度目标所产生的影响。每个器件都有需要考虑的行为因素。除了MEMS加速计之外,放大器、A/D、复用器和无源元件都将呈现一定的偏差,增益、线形度、噪声、电源以及温度都将呈现独立的行为特征,对于传感器性能来说,这些都需要仔细地考虑在内。

本节将列举对上述性能目标的常见威胁,并在避免具体的电路分析的同时,给出如何快速确定其影响的方法。为了简单,在讨论中将敏度分析集中在传感器性能上。假定其余电路元件的贡献较小。包括一个MEMS传感器的任何线性传感器的理想方程为:

在IEEE-STD-1293-1998中,给出了一个描述典型MEMS加速计误差行为的广泛建模方案。而如下的方程则给出了描述许多常见误差的简单关系:

传感器信号调节电路将包括几个影响该方程的几个元器件。下面列出了这些器件的部分常见误差源:

1. NENS加速计
2. 放大器
3. 无源元件
4. A/D

每个器件都将对灵敏度(增益),偏置(偏差),线性度,噪声,依赖于电源的行为特性以及依赖于温度的特性有所贡献。这里所讨论的校准将集中在传感器上。不过图示准则也适用于其他电路。 [page]

由于要求综合误差小于1%,我们可以快速回顾一下商用的MEMS传感器的指标。例如,一款领先加速计应具有如下指标:

灵敏度:+950mV/g到+1050mV/g,等同于5%
偏移:30mg(典型值),相当于3%(1g系统)
100mg(最大值),相当于10%(1g系统)

本例中,校准过程中必须首要考虑偏移和灵敏度,因为这两者都超出了1%的综合误差目标。

用于低g加速计的一个可靠的校准源是重力。使用重力的最简单方法是通过采用IEEE-STD-1293-1998中所给出的行业标准跌落测试。该跌落测试中,将一个变化范围为+1g的激励施加到被测器件上(DUT)。

该低激励水平不能用于满刻度量程小于20g的加速计的跌落测试,因为所加的校准激励等于或大于满量程的5%。在该量程之外,线性度、分辨率、噪声和其他与量程相关的特性将变得更有影响力,阻止所期望的精度的实现。为了校准,满刻度量程允许4点跌落测试,而非多点跌落测试,但多点测试可以用于线性度误差的计算。

这里,DUT是竖直的。DUT的X轴指向0°倾斜的水平轴。记录DUT的X轴输出。然后将DUT分别旋转90°,180°和270°,记录每点的X轴输出,故对应四个测量位置。


图4:四点跌落数据输出

由于DUT被旋转,X轴的传感器输出将是倾斜角的正弦函数,如图4所示。实际曲线和理想曲线之差是由于加速计的偏移和灵敏度误差所导致。通过对每个90°旋转增量上的数据进行分析,这些行为可以被特性化并隔离出来。通过对0°和180°点上取平均可以计算出总的正弦曲线的偏移量。在从90°的数据点上减去270°点上的数据,即可得到重力所提供的1g激励的加速计输出的测量值。

这些关系的基础是0°,90°,180°,以及270°位置的精确对准。还取决于十足的1g激励的竖直方向上的精确对准。

由于追求“完美的”测量灵敏度既不实际也无法承受得起,而重要的是了解对每一个潜在误差(校准系统自身引入)的灵敏度如何。确定每一个误差的影响将会有助于降低违反关键性能准则的风险。

初始对齐角度绝对误差指的是起始位置误差。该起始位置误差将影响灵敏度,但不影响偏移。该影响可以被隔离而不影响其他的灵敏度,并且可以用下式描述:

对于1%的灵敏度误差,初始对齐误差必须小于8°。如果灵敏度误差更高,比如0.1%,则初始对齐误差就必须小于0.8°。然而,该绝对角误差对0°和180°两个位置上的影响是等同的,所以该对齐误差不影响偏移。这是采用4点测量方案的一个优点。一旦得到实际的偏移,即可计算出初始对齐误差:

如果灵敏度精度目标要求的话,可以将计算出的对齐误差代回上面的误差方程,并用来量化校准因子。这样,就消除了必须将初始起始角定于精确的0°的压力。

误差类型与计算

相对对齐误差:该误差被定义为每一个测量步进间与理想的90°步进值之间的偏差。偏移校准将对该误差有较高的灵敏度。可以利用下列关系式来计算有对齐误差引入的偏移误差:

对应于1%的偏移精度目标,或者说是1g量程应用中的10mg,对齐精度必须优于0.57°。而对于0.1%的偏移精度,或者说1mg,则相对对齐精度必须优于0.057°。尽管初始对齐误差角容易计算,但对于高精度的校准来说,相对角度灵敏度则要求严格的位置控制。

偏离轴向误差:偏离轴向误差指的是轴向相对于水平轴的变化总量。如果旋转设备完全垂直,则说明旋转轴是水平的。偏离轴向误差将影响灵敏度误差,其影响的方式与初始对齐的影响方法非常类似。

这里提醒要注意重力加速度变化,因为1g的外部激励未必是精确的1g。其影响恰恰是本地重力影响的2倍,另外还随着理论重力而变化,理论重力还受到纬度,海平面仰角,月亮-太阳重力波动以及附近的超大质量的影响。

机械振动:任何形式的振动都可以转换成为线形加速度,并为校准引入误差。采用花岗岩石块或空气隔离的桌面结构的机械隔离,将有助于降低误差,也可以采用数据滤波来消除振动引起的缺陷。

加速计灵敏度误差:影响加速计灵敏度特性的两个最重要的因素是电源电压和温度。在预期的电源和温度范围上,也可以采用四点跌落对加速计的行为进行特性化。线性逼近方案要求在每个参数的极限位置(最小和最大)上采集四点跌落数据。根据精度要求,这些数据可以被用来外推增量校正因数。如果发现非线性行为,可以增加更多的数据点,同时增加曲线拟合的阶数。 [page]

电源误差:某些精度要求将要求对电源变化的影响进行特性化。当需要时,可以在不同的电源电平上采用相同的四点跌落测试,来采集合适的曲线拟合所需的数据。曲线拟合的复杂度与精度目标和误差自身的性质无关。结果将是一系列用于每个电源条件的校准系数。

温度误差:为了在温度变化时保持1%的误差,应该考虑用于灵敏度和偏移的温度系数。

灵敏度=0.3%(典型范围,-40°C到+125°C)
偏移=0.1mg/°C(典型值)

对于快速估计,这些值可以翻倍(假设2倍)并结合下式:

温度的综合误差为:

如果最大的加速测量为1g,该比值可以在维持1%综合热误差目标的条件下,被用来计算温度可以变化的范围:

有可能将根据该校准过程计算出来的校正因子施加到许多数字平台上。这些例子包括微控制器,数字信号处理,现场可编程门阵列(FPGA),以及其他可编程逻辑器件。校正公式所需的处理器资源将会影响到处理器的选择,但在许多工业系统中,处理器还有更高要求的需求。校正所需的数学功能还是相对简单的:(1)通过增加运算来消除偏移/偏置误差,(2)利用多重操作消除量化误差。

在应用中,工业系统在工作条件方面的变化将影响MEMS加速计的偏置和灵敏度。最常见的影响这些特性的工作条件是电源电压和环境温度。电源电压的变化范围可能高达10%,而每套工业系统有其自身的温度范围要求。

如果工作条件引起的变化超出了系统性能的许可范围,则需要在多种工作条件下执行四点跌落测试,目的是绘制误差特性,并生成校准系数表。这些系数的最终完成就像下图中所示那样。这种情况下的校准表中有三个变量,其中包括一组用于工作条件超差的变量,这些可以用于频率响应或者各种其他条件。


校准信号流

结论

在部署加速计校准功能过程中最为重要的是建立有价值的性能目标。对于本文中指出并讨论的风险区域,开发商应知道校准并非随意的,但还是有大量的增值机会,如果最终目标明确的话。实际上,研发性能目标不仅局限在工程领域,而是要考虑到进度风险(损失收入),性能风险(达不到客户要求)以及成本过高风险(丢失市场)等。尽管性能的影响是基本的,但还要考虑实现该性能并一直到校准所需的投资,所有这些都有助于工程师做出更好的综合决策,因为他们所考虑的问题是一个永恒的问题-即制造与购买的关系。

针对成本和性能的改善预期来说,通过与现成的商用解决方案-如ADI公司的ADIS16201全校准的双轴加速计/磁倾计进行比较后,自然会发问,研发一个定制校准和工艺所冒上述风险是否值得?相信文中所述内容将有助于针对各种情况来回答这个问题。
关键字:MEMS  加速计校准  加速度 引用地址:MEMS加速计校准提升工业应用中的精度

上一篇:基于和利时LK系列PLC的隧道监控系统
下一篇:还会旺多久?触控技术发展分析

推荐阅读最新更新时间:2024-05-02 22:50

赛微电子:MEMS、GaN业务均实现持续发展 瑞典FAB1&FAB2继续良性运转
有投资者在投资者互动平台提问:你好:请问公司1一2月份产量、良率是多少?同比增长多少?有准备公布数据吗? 赛微电子(300456.SZ)3月15日在投资者互动平台表示,今年年初以来,公司MEMS、GaN业务均实现持续发展。其中公司瑞典FAB1&FAB2继续实现良性运转;公司北京FAB3继续推动多款不同类别、不同型号MEMS产品的工艺开发、产品验证及晶圆制造。 此外,有投资者在投资者互动平台提问:说说北京工厂现在有几个产品已经量产?产量如何? 赛微电子在投资者互动平台表示,公司北京FAB3正在持续推动MEMS硅麦克风、惯性器件、电子烟开关、BAW(含FBAR)滤波器、振镜、气体、微流控等不同类别、不同型号产品的工艺开发及产品验证。
[手机便携]
微型传感器市场看涨 消费无线成新热点
2006-2010年 MEMS 手机 市场规模 单位:百万美元 采用新型技术与工艺的微型传感器,拓展了应用领域,满足了更高的要求,成为推动传感市场发展的动力。    据有关报告显示,2008年全球传感器市场规模为506亿美元,而到2010年预计全球传感器市场则可达600亿美元以上。近些年来,与半导体工艺的融合成为推动传感器发展的一个重要动力,这种融合使传感器的性能更加强大,而体积却越来越小,催生出微型传感器。微型传感器的出现使原本在很多不能应用传感器的领域得以应用传感器件,从而为系统产品的智能化提供了条件。与此同时,传感器应用领域的拓展带来了更多的市场需求。近些
[工业控制]
微型传感器市场看涨 消费无线成新热点
车用传感器及MEMS市场加速成长,规模翻倍
拜电动车及自驾车蓬勃发展之赐,车用芯片、车用传感器市场成长快速,尤其车用雷达、CMOS影像传感器等高价感测模块出货成长突飞猛进,市调机构Yole Developpement预估,车用传感器、微机电(MEMS)市场规模将从2016年的110亿美元,至2022年扩增至230亿美元,市场规模等于成长逾1倍,年复合成长率高达13.7%。   车用传感器及MEMS市场规模一览 法人表示,车用传感器及MEMS市场正在快速成长,投入车用传感器研发多年的IC设计厂原相不仅完成许多ADAS传感器及算法专利申请,也已打进一线车厂供应链,可望成为最大受惠者。 至于国际半导体厂近年来大举释出车用传感器代工订单,专攻车用传感器及MEMS封装的胜丽
[汽车电子]
智能医疗与MEMS技术人工智能技术深度结合开发的胶囊机器人
当医疗产品越来越像“智能”、“精准”演进时,微机电系统(Micro ElectroMechanical Systems,简称MEMS)技术与医疗生物的结合,将成为一种必然的趋势。MEMS技术是一个将机械和电子结合起来形成的微小系统,其能感知外界力、热、光、生、磁、化等信息。在物理、机械、生物工程、医疗、光学、材料工程、电子工程等领域都有所应用。由于不同产品器件有各自不同的需求,产品市场极其分散。但随着体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展,医疗设备需要创新的技术来迅速提高性能、降低成本、缩小尺寸。         MEMS技术在传感和执行功能上的优势,使其在医疗健康行业的应用广泛增长。在医疗领域中,与传
[医疗电子]
基于双轴加速度传感器的新型角度测量系统设计
引言 在现代控制系统中,角度测量装置是非常关键的需要高精度的部件,其测量精度直接影响着整个系统的性能和精度。例如施工升降机上有角度测控机构来控制起降;火箭炮瞄准系统中都有大量的角度传感器,实时检测炮塔偏转角度,以便对火箭炮瞄准进行调整。目前已有的利用的加速度传感器实现高精度角度测量的研究,主要侧重于单轴的角度测量。本文将重点讨论利用双轴加速传感器ADXL202实现高精度角度测量的软硬件方法。 1 角度测量仪系统硬件方案设计 本角度测量仪采用STM32F107作为数据处理的核心芯片。这是一款低功耗、高速度的32位处理器,拥有Cortex—M3内核。角度测量模块使用的是高精度、低功耗的双轴加速度传感器ADXL202,能将加速度信号
[单片机]
基于双轴<font color='red'>加速度</font>传感器的新型角度测量系统设计
半导体传感器和MEMS国际标准化进展
  去年,IEC TC47/SC47E (半导体分立器件标准化分技术委员会) 和IEC TC47/SC47F ( MEMS 标准化分技术委员会) 工作组会议及 MEMS 标准研讨会在日本东京召开。共有来自中国、日本、韩国的37位专家参加。中国代表团由中国电子技术标准化研究院、中电13所、航天704所、中机生产力促进中心、北京大学、西安电子科技大学等单位的12名代表组成,参加了此次全部会议。下面就随网络通信小编一起来了解一下相关内容吧。   IEC TC47/SC47E下设两个工作组:WG1 (半导体 传感器 工作组)、WG2 (微波器件工作组)。IEC TC47/SC47F下设三个工作组及一个标准维护组:WG1 (术语和定义工
[网络通信]
高性能IMU需求带动MEMS市场强劲成长
据市场研究公司Yole Developpement最新的调查报告显示,过去几年来,高性能的陀螺仪与惯性测量单元(IMU)市场已经逐渐发生变化了,预期全球市场将在短期内看到更强劲的成长。 该公司 MEMS 制造技术与市场分析师Claire Troadec指出,带动高阶 IMU 市场成长的因素有二:首先,尽管美国和欧洲的国防与航空市场越来越成熟并日趋保守,在中国、俄罗斯、巴西和中东地区陆续推出许多新计划的驱动下,可望带来更高的市场需求。 其次,新兴的低成本MEMS正加速 IMU 市场成长,并开启许多新应用之门。在2014年,全球高性能陀螺仪市场估计约有13.7亿美元,预计在未来五年内将以44%的CAGR成
[传感器]
高性能IMU需求带动<font color='red'>MEMS</font>市场强劲成长
投资10亿元 武汉高德红外产业化基地开工
  人民网武汉5月8日电 (记者田豆豆) 8日上午,武汉高德红外股份有限公司工业园在武汉光谷正式开工。高德红外工业园占地200亩,建筑面积8.4万多平方米,预计项目总投资约10亿元,分步实施。该工业园不仅包括红外热像仪产业化基地、红外光学加工中心、研发试验中心三个募集资金项目,还包括高德红外以自有资金投入的微电子学MEMS研发中心项目。   项目建成后,将大大缓解高德红外生产规模的瓶颈,红外热像仪产能将从去年的2539台套增加到2013年的8540台套,扩大2倍以上。   据悉,项目首期建设期两年。其中,红外热像仪项目到2012年可以完成70%的产能,2013年全部达产;而红外光学加工中心建成后,将成为亚洲最大、加工精度水平最
[半导体设计/制造]
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved