微观角度:揭开MEMS面纱下的一沙一世界

发布时间:2018-05-30 06:58阅读次数:

        物联网IoTInternet of Things已经成为公认的“风口”,与人连接的IoT将在日常生活中成为理所当然的存在,而可穿戴MEMS属于IoT重要的一部分。 


       MEMS就是微机电系统是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的,基于半导体技术的MEMS制造不仅将器件微型化做到极致,而且使其价格低廉且坚固耐用这些具有规模经济的电子器件使用相同工艺、设备和低成本材料,使得MEMS成为量产传感器极具吸引力的技术。 




        从日常生活到产业各界,通过压力、惯性、流量、温度、声音、光线检测到自然界各种各样现象的MEMS传感器正被广泛应用。比如使用通过体温检测到人体的红外传感器,就可以只在有人的地方进行照明和提供冷气,从而大大削减用电量的浪费。而地震传感器可以检测出强烈的地震,从而中止装置和设备的使用,避免机器发生故障和引发火灾等次生灾害。


       隐藏在智能手机中的定位功能,也是利用了MEMS惯性器件来提高定位精度。当智能手机处于倾斜的状态时,手机屏幕的方向也会随之变化。而在步行中,无论怎样活动,智能手机也能读取出使用者真正的运动量。这些功能都得益于MEMS器件的应用 


       那么,MEMS到底是什么呢?我们一般称它为 微机电系统Micro-Electro-Mechanical System),简称MEMS融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件是指可以批量制造的,一种将微型结构、微型传感器、微型执行器设计为一体,同时将信号处理电路、接口以及通讯和电源也置于其内部的微型器件或系统。MEMS传感器结合了电子、机械或其他(磁、液体和热等) 元件,通常采用传统的半导体批量工艺技术来制造,它的特点是体积非常、功耗低,像我们使用的智能手机、可穿戴设备相关的应用程序变得种类繁多也与MEMS小型化、高精度有着直接的关系。 


       从狭义的角度来讲,MEMS惯性器件是指敏感结构采用微加工手段加工的微机械陀螺和微加速度计,其中陀螺用于测量运动体的角速度,加速度计用于测量运动体的加速度,它们可单独使用,也可组合使用随着MEMS惯性器件技术的进步,采用微机电系统技术的惯性器件基于体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低、抗过载能力强等优异特性已在生物与医药行业、汽车工业、机器人、消费类电子、航空航天、导弹制导等领域中被广泛应用 


        广义来说,为了更好地发挥可穿戴设备的作用,MEMS惯性器件还应包括气压计、磁力计等。


       近些年,MEMS传感器已能够收集到“高度”的信息,这也引起人们的广泛关注。在位置信息上添加高度信息,就可以定位(position)人在建筑物的所在高度和具体位置。而即使是上下台阶产生的运动,也会被计入真正的运动量。 


       那么,如何评估“高度”呢?关键就是掌握气压差。众所周知,气压随高度的上升而下降。据计算,珠穆朗玛峰顶峰的气压只有地面的30%。不止在高处,日常生活中,我们也经常接触到由极小的空气分子质量差引起的气压变化。而能够检测出同真空状态下相比,所产生的细小气压差,就是绝对压力传感器。 


       总之,与传统的惯性仪表相比,MEMS惯性传感器不但具有尺寸小、质量轻、功耗低、易于数字化和智能化、测量范围大的特点,而且其低成本、高可靠性、抗振动冲击能力强等优势更是其他惯性器件无法比拟。特别是其特征尺寸甚至到了微米量级,这使得它们可以实现传统传感器所不能完成的功能。还可根据不同用户需求定制具有针对性的解决方案。因此军事和民用领域对其呼声越来越高。特别是由MEMS衍生出来的“微惯导”定位技术己经逐步推广到工业、消费等领域,且在消防救援、武警反恐、应急救援等领域中得到了比较成熟的应用。 


       微惯性导航系统(Micro-INSMicro-Inertial-Navigation System)简称“微惯导”,是一种基于微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)传感器技术的微型惯性导航系统。 


       惯性导航系统(INSInertial Navigation System)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面,还可以在水下、地下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。 


     微惯导系统主要包含陀螺仪、加速度计、微处理器,根据实际需求还可增加磁力计、气压计等MEMS器件,其中: 

  • 陀螺仪用来测量运动体围绕各个轴向的旋转角速率值,通过四元数角度解算形成导航坐标系,使加速度计的测量值投影在该坐标系中,并可给出航向和姿态角;
  • 速度计用来测量运动体的加速度大小和方向,经过对时间的一次积分得到速度,速度再经过对时间的一次积分即可得到位移; 
  • 磁力计用来测量磁场强度和方向,定位运动体的方向,通过地磁向量得到的误差表征量,可反馈到陀螺仪的姿态解算输出中,校准陀螺仪的漂移;   
  •  气压计用来测量环境气压值,融合陀螺仪、加速度计数据输出高度值。

       形象的描述的话,陀螺仪知道我们转了个身,加速度计知道我们又向前走了几米,而磁力计知道我们是向某个方向的,气压计则知道我们现在有多高 


       总而言之,微惯导系统是以低成本的通用MEMS器件为基础,根据应用、误差修正、误差补偿的需要结合使用上述传感器,充分利用每种传感器的特长,通过载体运动模式学习、滤波算法设计、硬件和结构设计等,达到高精度自主定位的目标。不依赖于导航卫星、无线基站、电子标签等任何辅助设备或先验数据库,仅通过载体自身配置的小型微型惯性传感器,可完成任何场景下人员、车辆、机器人等的准确定位。


       说到这儿,小编忍不住安利格纳微科技的几款产品了~



MEMS惯性器件格纳微科技

       

       格纳微科技基于MEMS惯性传感器的上述优势所研发的一款微惯导室内人员定位产品,体积小、重量轻、成本低、可靠性好,能在不依赖导航卫星、无线基站、电子标签等任何辅助设备或先验数据库前提下,仅通过自身佩戴的小型惯性传感器,完成任何场景下人员的准确定位,水平定位精度优于0.3%,相当于走1公里误差不到3米,为业内公开的最高性能指标,非市面上的普通定位产品;产品还可适应<18km/h的走路、小跑、跳跃、倒退、侧移等任意步行姿态,定位精度与步幅以及使用者身高无关,是真正可达到实战标准的产品,其气压计数据融合处理良好,高度偏差小,稳定性高,结合惯性传感器数据能准确进行楼层识别。这个产品在消防领域获得了大量的应用。我们知道和平时期消防员也是一个高危职业,天津港爆炸、杭州萧山大火都造成了多名消防员的伤亡。消防员进入火场后,缺乏一种在大型复杂室内环境中对位置和方向进行有效指引的装备。消防等应急任务“室内”场景通常来不及或环境不允许布置外部定位基站等设备,在GPS、北斗等卫星导航技术无法满足需求的情况下,“微惯导”自主定位技术几乎成了当前的唯一选择。 


       但是当前市面上的消防单兵定位系统普遍存在一些问题:(1)纯惯导定位精度低,普遍为1%精度(我司产品为0.3%);(2)使用不便捷,多采用踩脚垫、UWB基站、人工等方式进行多人轨迹对齐;(3)缺乏地理坐标信息,面对多分队、多方向任务时有局限;(4)无法解决惯导长时间累积漂移。 


      针对以上问题,经过了两年多的技术积累,得到了一些比较好的解决方案,2018年,我们将会在消防(应急)单兵定位系统上发力,在自身微惯导自主定位技术优势的基础上,联合通信、地图、空呼等方向的合作伙伴,搭建出一套真正满足实战要求的好用、能用、敢用的消防(应急)单兵定位系统。 


       针对室内外无缝定位需求,格纳微科技结合卫导与惯导两种定位技术的优势,致力于攻克卫星导航领域的最后一千米难题,推出了全新的室内外全域定位产品---“微惯导+卫导”融合定位系统,可输出高精度的室内外绝对定位结果。在室外可利用惯导数据对卫导定位数据进行平滑;在卫星信号被遮挡后,系统进入纯惯导定位模式,也可在较长时间内实现高精度绝对定位。该产品应用场景广泛,除了可应用于消防救援、特种作战、应急救援等应急单兵定位,还可用于训练单兵定位、工人定位、室内测绘、国土调查等领域。 


      除了可穿戴人员定位,针对AGV/机器人等“车载”应用,格纳微科技采用“微惯导+超宽带(UWB)”定位技术,通过在AGV、机器人上配置自主研发的微惯导模块和UWB定位标签,在空间布设极少量的UWB定位基站,实现AGV、机器人的实时、连续、精确定位,总体定位精度可达0.2米。系统中UWB基站之间独立工作,无需同步,利用UWB信息对惯导累积的位置和方向误差进行校正同时实现多终端轨迹标定对齐,可抑制AGV、机器人打滑等影响, 系统灵活性、自主性、环境适应性好,抗多径、遮挡等干扰,是一款性价比、稳健性较好的面向AGV、机器人、轮式车辆等领域的定位解决方案。 


       一沙一世界,一花一天堂。随着技术不断进步,MEMS惯性器件性能必将进一步得到提升,其应用范围和应用幅度必将继续扩大。今日小编以格纳微科技的几款技术和产品为例,介绍了微观世界中裹着神秘面纱的MEMS传感器,是否有加深你对MEMS的了解呢?


参考文献:《MEMS:从微观世界中掌握地球的律动》

作者:欧姆龙

参考链接:http://www.omron.com.cn/technology/story6.html


















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