基于MEMS技術(shù)的新一代航空電子系統的實(shí)現

　　近幾代MEMS技術(shù)能夠為航空電子設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用中，基于上一代MEMS或其它慣性技術(shù)的傳統解決方案在滿(mǎn)足性能目標方面有目共睹。 然而，這些技術(shù)在降低成本和其它經(jīng)濟實(shí)用性方面卻未取得重大突破。 新一代的航空電子系統承受著(zhù)改善這些情況的壓力，使設備制造商面臨著(zhù)需在無(wú)更優(yōu)技術(shù)可選的情況下完成開(kāi)發(fā)目標的挑戰。 航空電子設備集成商目前所面對的是一個(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(guān)目前整個(gè)電子行業(yè)的慣性MEMS元件，可以看出，這項技術(shù)可分為三大不同的應用方向。 相應的解決方案都源于這些主要應用領(lǐng)域之一： 軍事、汽車(chē)或消費電子。 數十年來(lái)，面向軍事應用的技術(shù)一向極為可靠，但在SWAP和成本方面并不靈活。 面向消費電子的技術(shù)能夠滿(mǎn)足苛刻的成本要求，但在性能和耐用性方面作了可觀(guān)的讓步。 另一方面，面向汽車(chē)行業(yè)的技術(shù)針對苛刻的目標專(zhuān)門(mén)對所有關(guān)鍵參數進(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(xiàn)圖/潛力都有極大的不同，參見(jiàn)圖1。

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

　　新一代航空電子平臺滿(mǎn)足下文表1中的慣性檢測系統規格：

　　表1： 航空電子系統的關(guān)鍵慣性系統目標

　　ADI MEMS技術(shù)能夠滿(mǎn)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結構，如圖2所示。 此結構可抑制角度檢測機制的沖擊和振動(dòng)影響，用于航空電子、汽車(chē)、醫療和智能彈藥項目中具有良好的口碑。 兩對反相諧振器的對稱(chēng)特性為非旋轉輸入提供了高共模抑制性，同時(shí)依靠高諧振器和高解調頻率（約18 kHz）提供出色的帶外信號抑制性能。 內核傳感器可執行包括高于諧振頻率掃描在內的可靠線(xiàn)性加速度/振動(dòng)分析，展示了其抑制這類(lèi)干擾的能力。

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

　　除了穩定的傳感器內核設計，傳感器信號調理的良好匹配與優(yōu)化也同樣重要。 基本工作原理是：傳感器元件捕捉真實(shí)運動(dòng)（即結構旋轉），并將其轉換為可測量的電氣信號（即電壓）。 若不適當注意帶寬、時(shí)序、相位、采樣速率、分辨率和其它漂移特性（比如溫度和電壓穩定性），則該轉換操作和隨后的處理可能會(huì )不夠精確。 這些都有賴(lài)于高級、可靠的傳感器信號調理能力。 ADI將其專(zhuān)利的MEMS IP與業(yè)界領(lǐng)先的信號處理能力相結合，從而在高性能MEMS領(lǐng)域一枝獨秀。

　　ADI慣性測量單元（IMU）解決了復雜航空航天系統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(lèi)型才能正確識別復雜的運動(dòng)。iSensor IMU集成高達10自由度的檢測能力，提供全部必要的對齊、校準、一階傳感器融合、出廠(chǎng)集成和測試。

　　比如說(shuō)，ADIS16485/8 IMU（圖3）是目前航空電子系統所采用的6/10自由度傳感器，滿(mǎn)足一切性能和可靠性目標（表2），SWAP優(yōu)勢高達一個(gè)數量級。

　　圖3：ADIS16485慣性測量單元

　　表2. 航空電子系統性能演示： 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

　　經(jīng)驗證，該MEMS技術(shù)優(yōu)于FOG慣性技術(shù)。 最近我們將一款ADI IMU與一款價(jià)值3萬(wàn)美元的FOG IMU進(jìn)行了橫向對比，結果表明高性能MEMS技術(shù)有顯著(zhù)進(jìn)步，并且能達到與傳統FOG系統相似的性能，在關(guān)鍵的SWAP/成本參數方面的優(yōu)勢要高出一個(gè)數量級。 表3總結了這項行業(yè)研究的結果，其中，關(guān)鍵的MEMS航向性能參數與價(jià)值3萬(wàn)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和其他傳統慣性技術(shù)的性能差距，且具有極大的經(jīng)濟優(yōu)勢

　　在復雜和惡劣條件下保持關(guān)鍵性能

　　MEMS IMU設計中有三項關(guān)鍵因素，可確保抑制振動(dòng)或其它外來(lái)信號輸入的相關(guān)錯誤運動(dòng)偽像。 無(wú)論在內核傳感器元件、子系統設計或是信號處理中，設計要求在本質(zhì)上都需要抑制一切干擾運動(dòng)，從而保持復雜運動(dòng)條件下的信號完整性。 為了進(jìn)一步增強性能，iSensor MEMS子系統在部署時(shí)針對每一條測量軸均采用多個(gè)（四通道諧振器）傳感器，其中兩個(gè)傳感器根據第二對傳感器進(jìn)行機械重定向，從而提供一階系統性普通非旋轉信號的消除能力和靈敏度（熱、電和殘留加速度靈敏度）。 為了保留內核傳感器元件和子系統設計所實(shí)現的高性能，該器件以較高的數據速率進(jìn)行數據處理（充分過(guò)采樣）。

　　這些器件的特性開(kāi)發(fā)借鑒了多年的傳感器、信號處理和應用經(jīng)驗，可滿(mǎn)足器件在惡劣的航空電子、汽車(chē)和軍事環(huán)境下的耐用性與性能要求。 目前內核傳感器為第三代，產(chǎn)品出貨量已超過(guò)1000萬(wàn)片，用于高度可靠的高性能終端應用。

　　ADIS16485 內核傳感器處理元件將獲得DO178/254 DAL-B認證。硬件與軟件均遵循嚴格的規范、設計、驗證和認證流程，這些均嚴格管理并處于配置控制之下。 ADI的內核慣性檢測技術(shù)量產(chǎn)已有三十年，而根據目前和未來(lái)的航空電子、國防以及工業(yè)應用等領(lǐng)域的設計需要，其ADIS1648X IMU系列預計產(chǎn)品生命周期將遠在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)勢的MEMS技術(shù)，將應用范圍擴大到光纖和傳統軍事慣性檢測領(lǐng)域。