在无GPS的环境下,精确的个人惯性导航系统对于要求苛刻的应用,如消防和救援任务等是至关重要的。2018年,Q. B. GHO等人报道了采用MEMS可穿戴地面反应传感器阵列和接口ASIC的个人惯性导航系统。该系统的MEMS IMU包含三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴地磁传感器,陀螺仪和地磁传感器结合可提供取向信息,在时间上积累的加速度数据可得到距离信息。为了实现高性能导航,当脚接触地面时,准确地重置IMU的每一步中时间积分是至关重要的。采用MEMS地面反应传感器阵列和一个接口ASIC能够准确地探测到地面上的时间。采用高度系统集成方法设计了低功耗的CMOS集成电路,并与有效的系统校准技术及传感器数据融合和处理算法相结合,实现了该个人惯性导航系统在3km步行距离时,无GPS的位置精度达到5.5m。

为了适应设备导航级应用的需求,高精度MEMS惯性智能传感器也是重要的发展方向。其中MEMS加速度计的创新技术有:闭环MEMS加速度计传感器和电子学闭环系统架构的创新设计;亚心偏差不稳定性的低功耗MEMS硅谐振加速度计的设计;微型低成本精密石英摆式加速度计与闭环配置的电子伺服回路的设计以及具有自恢复信噪比功能的地震检测的CMOS MEMS加速度计设计。

为了达到惯性导航等级加速度计性能的要求,2016年,B. Grinberg等人报道了闭环MEMS加速度计的设计与生产。传感器采用SOI芯片内平面技术,其优点是可实现抑制寄生效应的全桥电容感应;采用高度对称的机械结构以获得更好的温度稳定性和不需要真空封装;采用大质量块的设计有助于增强敏感度。电子学闭环系统架构采用4级△Σ调制器将外部加速度转换为高频率信号和比特数字信号;其设计的重点包括精确的时钟、高稳定参考电压和管理配置各系统参数的微控制器,以改善噪声、线性和稳定性。MAXL-CL- 3030闭环加速度计的测试结果证实了导航级设计,偏置稳定性《20 ug,典型非线性为0.01%,在20~2 000Hz的频率范围内振动校正误差小于10 ug/g²rms。

实现导航应用的关键任务对于MEMS加速度计是一重大挑战。硅谐振加速度计在大线性范围内具有优势,其标度因子具有良好的稳定性,以及调频输出的准数字性质,可有助于读出系统免于电路块参数变化的影响。2016年,J. Zhao等人报道了具有亚ug偏差不稳定性和30g全量程的低功耗MEMS硅谐振加速度计。MEMS传感器的结构包含质量块、两个杠杆和两个谐振,采用晶圆级真空封装的80um厚的SOI工艺实现。MEMS谐振器嵌入振荡环路中,振荡维持电路包含低噪声前端放大、VGA、低噪声自动放大控制电路等。测试结果表明,该硅谐振加速度计在±30g全量程范围,偏置不稳定度小于1ug,速度随机游走为2.5 ug/√Hz,其谐振频率为15 kHz,功耗在1.5 V下为3.5 mw。

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