如何利用MEMS加速计进一步提高工业应用精度?.doc
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1、如何利用MEMS加速计进一步提高工业应用精度?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
2、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
3、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。图1:对于许多MEMS惯性传感器用户,校准为
4、他们的传感方案提供了改进性能和折中系统成本的机会。在图1中的性能与成本的对比曲线中,绘出了一个使用良好的校准方案和一个较差的方案之间的差别。通过辨明和降低风险方面的努力,将能够确定一个给定水平的性能改善所需花费的成本。它只需要将一个错误从蓝色区域移动到红色区域。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
5、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。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2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
6、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
7、感器上。不过图示准则也适用于其他电路。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
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