MEMS惯性传感器与测量单元

逍遥设计自动化

引言

惯性传感器和测量单元是现代导航系统的核心组件。这些精密器件测量特定力和旋转，实现对运动和方向的准确跟踪。本文详细介绍加速度计、陀螺仪和惯性测量单元(IMU)的基本原理和各种实现方式[1]。
4 ~; E! r: G, l# E1 y/ ^加速度计技术
3 g; M+ a/ i7 u& p( R
7 M9 I) o7 x: ~# l+ S6 \加速度计用于测量作用在物体上的加速度力。这些器件主要分为两类：静态加速度计和谐振加速度计。静态加速度计通常采用阻尼质量-弹簧系统，其中测试质量通过弹簧和阻尼器与加速度计框架相连。测试质量相对于框架的位移对应于所经历的加速度。

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图1：加速度计的基本结构，展示了质量-弹簧-阻尼系统，包括测试质量(m)、弹簧刚度(k)和阻尼系数(c)。

' s) R1 O0 Q* i/ e. E与静态加速度计不同，谐振加速度计通过谐振频率的变化来测量加速度。这些器件的设计使外部加速度能够改变结构的有效刚度。现有多种实现方式，包括表面声波(SAW)器件、振动梁和体声波(BAW)器件。

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4 _4 O* O7 }1 W图2：不同加速度计实现方案的示意图：(a) 基于SAW的器件，(b) 振动梁构型，(c) BAW器件设计。每种方案在特定应用中都具有独特优势。
陀螺仪技术
4 B: B2 F; M4 d
陀螺仪用于测量旋转，基于不同的物理原理有多种类型。主要类型包括机械陀螺仪、光学陀螺仪、核磁共振(NMR)陀螺仪和MEMS振动陀螺仪。
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/ Q/ l) g' v) o2 ^' I图3：各种陀螺仪技术及其应用的性能对比图，范围涵盖从消费级到高性能导航系统。

光学陀螺仪利用萨格纳克效应，当系统旋转时，反向传播的光束经历不同的传播时间。主要有两种类型：环形激光陀螺仪(RLG)和光纤陀螺仪(FOG)。
; |# B* \! j4 B: C, R: x

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图4：基本陀螺仪结构的示意图，展示了带正交轴(x, y)的弹簧质量系统和各种实现设计。

MEMS振动陀螺仪是步行导航中最常用的类型。这些器件基于科里奥利效应工作，振动元件受到与角速率成比例的力。

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0 B/ b0 N) {$ ^- f  z图5：陀螺仪的工作模式，显示了(a)开环、(b)力平衡和(c)全角模式响应。
+ [' C% r! Q7 V) ?% ~* ?/ ]惯性测量单元集成
: x- v6 r5 r' c& P
IMU结合多个加速度计和陀螺仪，提供全面的运动感知。集成这些传感器有多种方法：
( u+ ~+ `& K# g. i3 E

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图6：IMU assembly架构，展示(a)立方体结构布局和(b)堆叠配置及详细组件布局。

% p' d& u* j, o; g/ u8 v5 x  k$ o现代MEMS技术使更紧凑的设计成为现实。单芯片方案在一个器件上集成多个感应轴，而创新的折叠技术允许三维传感器排列。
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4 V7 X8 S3 r# L* e图7：三轴陀螺仪的各种机械结构，展示了在单个封装中实现多轴感应的不同方法。

IMU微型化的最新发展包括折叠和堆叠架构：

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图8：先进的微型化IMU assembly，展示(a)带集成传感器的折叠MEMS结构和(b)用于紧凑设计的堆叠芯片架构。
# _3 N9 B: N7 f
9 c& [- W% j  j9 H# Z# k" e# C" m通过这些不同的传感器集成方法，现代IMU在性能、尺寸和成本效益方面不断提升。每种集成方法都具有独特优势，设计人员可以根据具体应用需求选择最合适的解决方案。
* s$ K, m, W. x* W. u
随着制造技术、材料和设计架构的不断改进，惯性传感领域持续发展。这些技术的进步将带来更强大、更紧凑的IMU，支持从消费电子到高精度导航系统等广泛应用。
参考文献
( V/ P  ~8 Z, ~0 {
[1] Y. Wang and A. M. Shkel, "Inertial Sensors and Inertial Measurement Units," in Pedestrian Inertial Navigation with Self-Contained Aiding, IEEE Press Series on Sensors. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2021.
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