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研究院在孵企业格纳微又出新产品了

MEMS-IMU新品MY53HE

小尺寸、高精度、高可靠、高性价比的惯性测量单元

内置高性能三轴陀螺仪和三轴加速度计

具有极高的陀螺和加速度零偏稳定性

输出高精度和加速度数据

新品速速,了解一下!

惯性测量单元



      惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,以下简称IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置,一般由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成,可以正确检测出包含从微小的倾斜到大范围动作在内的惯性运动信息。IMU大多用在需要进行运动控制的设备,如汽车和机器人上,也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合,如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。


惯性传感器



      惯性传感器包括加速度计(也叫加速度传感器)和角速度传感器(也叫陀螺仪),以及它们的单、双、三轴组合惯性测量单元(也称IMU)和AHRS。


      加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成,其实就是利用加速度的原理计算物体在空间运动的状态,起初加速度计只是感应地表垂直方向加速度,早期也只是应用在检测飞机过载的仪表系统中。经过功能升级、优化,现在实际上可以感知物体任意方向上的加速度。目前主流的是3轴加速度计,测量的是物体在空间坐标系中X、Y、Z三轴上的加速度数据,可以全面反映物体平移的运动性质。



      与加速度计测量维度不同,根据陀螺仪的定义,可以很容易理解到陀螺仪主要是通过测量空间坐标系中陀螺转子的垂直轴与物体之间的夹角,现在的主流陀螺仪也是三轴,即测量物体在X、Y、Z轴上旋转的数据,分别为纵摇、横摇、垂摇。


      最早的陀螺仪都是机械陀螺仪,内置高速旋转的陀螺,正因为陀螺在万向支架上能够保持高速稳定旋转,所以最早陀螺仪在航海中用来辨别方向,确定姿态以及计算角速度,后来逐渐被应用在飞机仪表上。但是机械式陀螺仪对加工精度要求很高,还容易受外界震动影响,所以机械陀螺仪的计算精度一直都不高。


      后来为了提升精度和可适用性,陀螺仪的原理已经不单单是机械式的了,现在已经发展有激光陀螺仪(光程差原理)、光纤陀螺仪(萨格纳克效应,光程差的一种)和微机电陀螺仪(即MEMS,它是根据科里奥利力原理,利用其内部的电容变化计算角速度,微机电陀螺仪在智能手机中最为常见)。


      简单说一下磁力计,磁力计和指南针的原理相似,可以测量物体在地理位置上东南西北四个方向上的具体位置。


      通俗来说,加速度计可以判断物体的运动距离,陀螺仪计算物体旋转了多少度,磁力计分辨物体的朝向。所以在很多实际应用中,加速度计、陀螺仪以及磁力计都是组合起来使用,最常用的6轴传感器就是三轴加速度计和三轴陀螺仪,这些统称为惯性测量单元(IMU)。9轴传感器通常是指三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。


      由于MEMS技术的应用,IMU的成本也下降了不少,目前其应用相当广泛,小到智能手机、可穿戴设备,大到汽车、无人机、飞机、导弹。


      IMU精度不同、应用领域不同,价格相差也较大,如下图所示。


微机电系统


      微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,以下简称MEMS)也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等,是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的,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。MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。


      MEMS是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸为几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。


MEMS-IMU在消费领域的应用


      MEMS惯性传感器采用有别于传统惯性传感器的集成电路加工工艺,具有寿命更长、制造成本低廉且可靠性更高等优点,同时具有体积、耗电量更小、重量更轻、易集成、大批量生产等特点。基于MEMS陀螺和加速度计的IMU体积小、功耗低,其批量生产的特性特别适用于需求量大、追求低成本的场合,如家用汽车、消费无人机、智能手机、运动相机、智能眼镜、虚拟现实(VR)、室内导航等中低端领域。


MEMS-IMU在高端领域的应用


      随着性能的提升,MEMS-IMU在高端领域的应用从最早的姿态测量和平台稳定扩展到目前的惯性导航和陀螺寻北,在高端军工、航空航天、自动驾驶等领域逐渐被广泛应用。和传统的惯性导航系统相比,MEMS-IMU更能够充分发挥作战武器的“灵巧性、智能性”,在保证作战效能的条件下,使其具有“轻质化、微型化”特点。可广泛应用于中短程战术导弹、远程制导炮弹、精确制导炸弹、战场机器人、军用小型无人机、单兵导航系统等。


      作为MEMS-IMU需求的两级,高端军工、航空航天等领域和低端消费等领域具有截然不同的特性。高端应用领域起到了“推力”的作用,通过不计成本的资助实现了技术的不断进步;低端应用领域则起到了“拉力”的作用,利润的吸引力使得MEMS-IMU技术不断走向产业化。


      在面向高端应用需求时,主要看重MEMS-IMU在提供高性能的同时保证较小的体积和功耗,在成本和产量方面并不是很看重。MEMS-IMU的后期标定和补偿工作较为复杂,其投入甚至超过了器件本身制造的成本,因此总体成本相比一些传统的IMU甚至没有太多优势。


高精度MEMS-IMU市场新机遇


      在现代战争条件下,MEMS-IMU的几大突出特点决定了它将成为武器系统中惯性导航产品的一股生力军。在军事领域还有许多中端应用领域,特别是无人作战系统和智能弹药的姿态测量和平台稳定等,对于体积较小、成本可控、性能较高的MEMS-IMU具有较迫切的需求;而且战术级武器平台数量较多,MEMS-IMU的需求量较大;该应用领域需要将高精度MEMS-IMU技术进行产业化。


      民用领域,高精度MEMS-IMU市场可能会进入新一轮的繁荣周期,其主要受到两大趋势推动:(1)机器人时代来临;(2)工业应用增长。此外,高精度IMU市场迎来许多新机遇,包括自动/无人驾驶汽车、无人机、农业机械、船舶、结构监测等。



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