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格納微推出高精度 MEMS-IMU新品

文章附圖

研究院在孵企業格納微又出新產品了

MEMS-IMU新品MY53HE

小尺寸、高精度、高可靠、高性價比的慣性測量單元

內置高性能三軸陀螺儀和三軸加速度計

具有極高的陀螺和加速度零偏穩定性

輸出高精度和加速度數據

新品速速,了解一下!

慣性測量單元



      慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,以下簡稱IMU)是測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置,一般由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成,可以正確檢測出包含從微小的傾斜到大范圍動作在內的慣性運動信息。IMU大多用在需要進行運動控制的設備,如汽車和機器人上,也被用在需要用姿態進行精密位移推算的場合,如潛艇、飛機、導彈和航天器的慣性導航設備等。


慣性傳感器



      慣性傳感器包括加速度計(也叫加速度傳感器)和角速度傳感器(也叫陀螺儀),以及它們的單、雙、三軸組合慣性測量單元(也稱IMU)和AHRS。


      加速度計由檢測質量(也稱敏感質量)、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成,其實就是利用加速度的原理計算物體在空間運動的狀態,起初加速度計只是感應地表垂直方向加速度,早期也只是應用在檢測飛機過載的儀表系統中。經過功能升級、優化,現在實際上可以感知物體任意方向上的加速度。目前主流的是3軸加速度計,測量的是物體在空間坐標系中X、Y、Z三軸上的加速度數據,可以全面反映物體平移的運動性質。



      與加速度計測量維度不同,根據陀螺儀的定義,可以很容易理解到陀螺儀主要是通過測量空間坐標系中陀螺轉子的垂直軸與物體之間的夾角,現在的主流陀螺儀也是三軸,即測量物體在X、Y、Z軸上旋轉的數據,分別為縱搖、橫搖、垂搖。


      最早的陀螺儀都是機械陀螺儀,內置高速旋轉的陀螺,正因為陀螺在萬向支架上能夠保持高速穩定旋轉,所以最早陀螺儀在航海中用來辨別方向,確定姿態以及計算角速度,后來逐漸被應用在飛機儀表上。但是機械式陀螺儀對加工精度要求很高,還容易受外界震動影響,所以機械陀螺儀的計算精度一直都不高。


      后來為了提升精度和可適用性,陀螺儀的原理已經不單單是機械式的了,現在已經發展有激光陀螺儀(光程差原理)、光纖陀螺儀(薩格納克效應,光程差的一種)和微機電陀螺儀(即MEMS,它是根據科里奧利力原理,利用其內部的電容變化計算角速度,微機電陀螺儀在智能手機中最為常見)。


      簡單說一下磁力計,磁力計和指南針的原理相似,可以測量物體在地理位置上東南西北四個方向上的具體位置。


      通俗來說,加速度計可以判斷物體的運動距離,陀螺儀計算物體旋轉了多少度,磁力計分辨物體的朝向。所以在很多實際應用中,加速度計、陀螺儀以及磁力計都是組合起來使用,最常用的6軸傳感器就是三軸加速度計和三軸陀螺儀,這些統稱為慣性測量單元(IMU)。9軸傳感器通常是指三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計。


      由于MEMS技術的應用,IMU的成本也下降了不少,目前其應用相當廣泛,小到智能手機、可穿戴設備,大到汽車、無人機、飛機、導彈。


      IMU精度不同、應用領域不同,價格相差也較大,如下圖所示。


微機電系統


      微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,以下簡稱MEMS)也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等,是在微電子技術(半導體制造技術)基礎上發展起來的,融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。MEMS是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。


      MEMS是一個獨立的智能系統,可大批量生產,其系統尺寸為幾毫米乃至更小,其內部結構一般在微米甚至納米量級。常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產品。


MEMS-IMU在消費領域的應用


      MEMS慣性傳感器采用有別于傳統慣性傳感器的集成電路加工工藝,具有壽命更長、制造成本低廉且可靠性更高等優點,同時具有體積、耗電量更小、重量更輕、易集成、大批量生產等特點。基于MEMS陀螺和加速度計的IMU體積小、功耗低,其批量生產的特性特別適用于需求量大、追求低成本的場合,如家用汽車、消費無人機、智能手機、運動相機、智能眼鏡、虛擬現實(VR)、室內導航等中低端領域。


MEMS-IMU在高端領域的應用


      隨著性能的提升,MEMS-IMU在高端領域的應用從最早的姿態測量和平臺穩定擴展到目前的慣性導航和陀螺尋北,在高端軍工、航空航天、自動駕駛等領域逐漸被廣泛應用。和傳統的慣性導航系統相比,MEMS-IMU更能夠充分發揮作戰武器的“靈巧性、智能性”,在保證作戰效能的條件下,使其具有“輕質化、微型化”特點。可廣泛應用于中短程戰術導彈、遠程制導炮彈、精確制導炸彈、戰場機器人、軍用小型無人機、單兵導航系統等。


      作為MEMS-IMU需求的兩級,高端軍工、航空航天等領域和低端消費等領域具有截然不同的特性。高端應用領域起到了“推力”的作用,通過不計成本的資助實現了技術的不斷進步;低端應用領域則起到了“拉力”的作用,利潤的吸引力使得MEMS-IMU技術不斷走向產業化。


      在面向高端應用需求時,主要看重MEMS-IMU在提供高性能的同時保證較小的體積和功耗,在成本和產量方面并不是很看重。MEMS-IMU的后期標定和補償工作較為復雜,其投入甚至超過了器件本身制造的成本,因此總體成本相比一些傳統的IMU甚至沒有太多優勢。


高精度MEMS-IMU市場新機遇


      在現代戰爭條件下,MEMS-IMU的幾大突出特點決定了它將成為武器系統中慣性導航產品的一股生力軍。在軍事領域還有許多中端應用領域,特別是無人作戰系統和智能彈藥的姿態測量和平臺穩定等,對于體積較小、成本可控、性能較高的MEMS-IMU具有較迫切的需求;而且戰術級武器平臺數量較多,MEMS-IMU的需求量較大;該應用領域需要將高精度MEMS-IMU技術進行產業化。


      民用領域,高精度MEMS-IMU市場可能會進入新一輪的繁榮周期,其主要受到兩大趨勢推動:(1)機器人時代來臨;(2)工業應用增長。此外,高精度IMU市場迎來許多新機遇,包括自動/無人駕駛汽車、無人機、農業機械、船舶、結構監測等。



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