基于MEMS技術(shù)的新一代航空電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　近幾代MEMS技術(shù)能夠?yàn)楹娇针娮釉O(shè)備提供高度可靠的性能，并大幅改善尺寸、重量、功耗（SWAP）與成本。

　　在航空電子行業(yè)以及其它同樣具有高要求的應(yīng)用中，基于上一代MEMS或其它慣性技術(shù)的傳統(tǒng)解決方案在滿足性能目標(biāo)方面有目共睹。 然而，這些技術(shù)在降低成本和其它經(jīng)濟(jì)實(shí)用性方面卻未取得重大突破。 新一代的航空電子系統(tǒng)承受著改善這些情況的壓力，使設(shè)備制造商面臨著需在無更優(yōu)技術(shù)可選的情況下完成開發(fā)目標(biāo)的挑戰(zhàn)。 航空電子設(shè)備集成商目前所面對(duì)的是一個(gè)重大的兩難處境，即維持性能不變的同時(shí)改善SWAP/成本。

　　縱觀目前整個(gè)電子行業(yè)的慣性MEMS元件，可以看出，這項(xiàng)技術(shù)可分為三大不同的應(yīng)用方向。 相應(yīng)的解決方案都源于這些主要應(yīng)用領(lǐng)域之一： 軍事、汽車或消費(fèi)電子。 數(shù)十年來，面向軍事應(yīng)用的技術(shù)一向極為可靠，但在SWAP和成本方面并不靈活。 面向消費(fèi)電子的技術(shù)能夠滿足苛刻的成本要求，但在性能和耐用性方面作了可觀的讓步。 另一方面，面向汽車行業(yè)的技術(shù)針對(duì)苛刻的目標(biāo)專門對(duì)所有關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：性能、耐用性、成本、尺寸、重量和功耗。 顯然，各行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的路線圖/潛力都有極大的不同，參見圖1。

　　圖1： ADI MEMS技術(shù)最初面向汽車要求，獨(dú)有性能升級(jí)，同時(shí)改善SWAP和成本

　　新一代航空電子平臺(tái)滿足下文表1中的慣性檢測(cè)系統(tǒng)規(guī)格：

　　表1： 航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵慣性系統(tǒng)目標(biāo)

　　ADI MEMS技術(shù)能夠滿足這些要求的一個(gè)重要因素，便是其高度可靠的四核陀螺儀檢測(cè)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。 此結(jié)構(gòu)可抑制角度檢測(cè)機(jī)制的沖擊和振動(dòng)影響，用于航空電子、汽車、醫(yī)療和智能彈藥項(xiàng)目中具有良好的口碑。 兩對(duì)反相諧振器的對(duì)稱特性為非旋轉(zhuǎn)輸入提供了高共模抑制性，同時(shí)依靠高諧振器和高解調(diào)頻率（約18 kHz）提供出色的帶外信號(hào)抑制性能。 內(nèi)核傳感器可執(zhí)行包括高于諧振頻率掃描在內(nèi)的可靠線性加速度/振動(dòng)分析，展示了其抑制這類干擾的能力。

　　圖2：專利四核檢測(cè)，具有業(yè)界領(lǐng)先的沖擊和振動(dòng)抑制性能

　　除了穩(wěn)定的傳感器內(nèi)核設(shè)計(jì)，傳感器信號(hào)調(diào)理的良好匹配與優(yōu)化也同樣重要。 基本工作原理是：傳感器元件捕捉真實(shí)運(yùn)動(dòng)（即結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)），并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電氣信號(hào)（即電壓）。 若不適當(dāng)注意帶寬、時(shí)序、相位、采樣速率、分辨率和其它漂移特性（比如溫度和電壓穩(wěn)定性），則該轉(zhuǎn)換操作和隨后的處理可能會(huì)不夠精確。 這些都有賴于高級(jí)、可靠的傳感器信號(hào)調(diào)理能力。 ADI將其專利的MEMS IP與業(yè)界領(lǐng)先的信號(hào)處理能力相結(jié)合，從而在高性能MEMS領(lǐng)域一枝獨(dú)秀。

　　ADI慣性測(cè)量單元（IMU）解決了復(fù)雜航空航天系統(tǒng)中慣性傳感器的部署難題，此種部署必須依靠尺寸各有不同的多種傳感器類型才能正確識(shí)別復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。iSensor IMU集成高達(dá)10自由度的檢測(cè)能力，提供全部必要的對(duì)齊、校準(zhǔn)、一階傳感器融合、出廠集成和測(cè)試。

　　比如說，ADIS16485/8 IMU（圖3）是目前航空電子系統(tǒng)所采用的6/10自由度傳感器，滿足一切性能和可靠性目標(biāo)（表2），SWAP優(yōu)勢(shì)高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　圖3：ADIS16485慣性測(cè)量單元

　　表2. 航空電子系統(tǒng)性能演示： 讓新一代產(chǎn)品更進(jìn)一步，具有業(yè)界領(lǐng)先的SWAP/成本優(yōu)勢(shì)

　　經(jīng)驗(yàn)證，該MEMS技術(shù)優(yōu)于FOG慣性技術(shù)。 最近我們將一款A(yù)DI IMU與一款價(jià)值3萬美元的FOG IMU進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，結(jié)果表明高性能MEMS技術(shù)有顯著進(jìn)步，并且能達(dá)到與傳統(tǒng)FOG系統(tǒng)相似的性能，在關(guān)鍵的SWAP/成本參數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。 表3總結(jié)了這項(xiàng)行業(yè)研究的結(jié)果，其中，關(guān)鍵的MEMS航向性能參數(shù)與價(jià)值3萬美元的FOG器件的性能差異不到5%。

　　表3：ADI MEMS技術(shù)縮短了其與FOG和其他傳統(tǒng)慣性技術(shù)的性能差距，且具有極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

　　在復(fù)雜和惡劣條件下保持關(guān)鍵性能

　　MEMS IMU設(shè)計(jì)中有三項(xiàng)關(guān)鍵因素，可確保抑制振動(dòng)或其它外來信號(hào)輸入的相關(guān)錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)偽像。 無論在內(nèi)核傳感器元件、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)或是信號(hào)處理中，設(shè)計(jì)要求在本質(zhì)上都需要抑制一切干擾運(yùn)動(dòng)，從而保持復(fù)雜運(yùn)動(dòng)條件下的信號(hào)完整性。 為了進(jìn)一步增強(qiáng)性能，iSensor MEMS子系統(tǒng)在部署時(shí)針對(duì)每一條測(cè)量軸均采用多個(gè)（四通道諧振器）傳感器，其中兩個(gè)傳感器根據(jù)第二對(duì)傳感器進(jìn)行機(jī)械重定向，從而提供一階系統(tǒng)性普通非旋轉(zhuǎn)信號(hào)的消除能力和靈敏度（熱、電和殘留加速度靈敏度）。 為了保留內(nèi)核傳感器元件和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的高性能，該器件以較高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（充分過采樣）。

　　這些器件的特性開發(fā)借鑒了多年的傳感器、信號(hào)處理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可滿足器件在惡劣的航空電子、汽車和軍事環(huán)境下的耐用性與性能要求。 目前內(nèi)核傳感器為第三代，產(chǎn)品出貨量已超過1000萬片，用于高度可靠的高性能終端應(yīng)用。

　　ADIS16485 內(nèi)核傳感器處理元件將獲得DO178/254 DAL-B認(rèn)證。硬件與軟件均遵循嚴(yán)格的規(guī)范、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和認(rèn)證流程，這些均嚴(yán)格管理并處于配置控制之下。 ADI的內(nèi)核慣性檢測(cè)技術(shù)量產(chǎn)已有三十年，而根據(jù)目前和未來的航空電子、國(guó)防以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)需要，其ADIS1648X IMU系列預(yù)計(jì)產(chǎn)品生命周期將遠(yuǎn)在2030年之后。 同時(shí)，ADI進(jìn)一步完善其性能領(lǐng)先的SWAP和具有成本優(yōu)勢(shì)的MEMS技術(shù)，將應(yīng)用范圍擴(kuò)大到光纖和傳統(tǒng)軍事慣性檢測(cè)領(lǐng)域。