‧ 新一代航空電子系統實現

來源: MEMS資訊網

近幾代MEMS技術能夠為航空電子設備提供高度可靠的性能，並大幅改善尺寸、重量、功耗與成本。 在航空電子行業以及其它同樣具有高要求的應用中，基於上一代MEMS或其它慣性技術的傳統解決方案在滿足性能目標方面有目共睹。 然而，這些技術在降低成本和其它經濟。

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近幾代MEMS技術能夠為航空電子設備提供高度可靠的性能，並大幅改善尺寸、重量、功耗與成本。

在航空電子行業以及其它同樣具有高要求的應用中，基於上一代MEMS或其它慣性技術的傳統解決方案在滿足性能目標方面有目共睹。 然而，這些技術在降低成本和其它經濟實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改善這些情況的壓力，使設備製造商面臨著需在無更優技術可選的情況下完成開發目標的挑戰。 航空電子設備集成商目前所面對的是一個重大的兩難處境，即維持性能不變的同時改善SWAP/成本。

縱觀目前整個電子行業的慣性MEMS元件，可以看出，這項技術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域之一： 軍事、汽車或消費電子。 數十年來，面向軍事應用的技術一向極為可靠，但在SWAP和成本方面並不靈活。

面向消費電子的技術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，面向汽車行業的技術針對苛刻的目標專門對所有關鍵參數進行了優化：性能、耐用性、成本、尺寸、重量和功耗。 顯然，各行業進一步發展的路線圖/潛力都有極大的不同.

新一代航空電子平臺滿足下文表1中的慣性檢測系統規格：

表1： 航空電子系統的關鍵慣性系統目標

ADI MEMS技術能夠滿足這些要求的一個重要因素，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衝擊和振動影響，用於航空電子、汽車、醫療和智慧彈藥項目中具有良好的口碑。 兩對反相諧振器的對稱特性為非旋轉輸入提供了高共模抑制性，同時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。 內核感測器可執行包括高於諧振頻率掃描在內的可靠線性加速度/振動分析，展示了其抑制這類干擾的能力。

圖2：專利四核檢測，具有業界領先的衝擊和振動抑制性能

除了穩定的感測器內核設計，感測器信號調理的良好匹配與優化也同樣重要。 基本工作原理是：感測器元件捕捉真實運動（即結構旋轉），並將其轉換為可測量的電氣信號（即電壓）。 若不適當注意頻寬、時序、相位、採樣速率、解析度和其它漂移特性（比如溫度和電壓穩定性），則該轉換操作和隨後的處理可能會不夠精確。 這些都有賴於高級、可靠的感測器信號調理能力。 

ADI將其專利的MEMS IP與業界領先的信號處理能力相結合，從而在高性能MEMS領域一枝獨秀。

ADI慣性測量單元(IMU)解決了複雜航空航太系統中慣性感測器的部署難題，此種部署必須依靠尺寸各有不同的多種感測器類型才能正確識別複雜的運動。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、一階感測器融合、出廠集成和測試。

比如說，ADIS16485/8 IMU（圖3）是目前航空電子系統所採用的6/10自由度感測器，滿足一切性能和可靠性目標（表2），SWAP優勢高達一個數量級。

圖3：ADIS16485慣性測量單元

表2. 航空電子系統性能演示： 讓新一代產品更進一步，具有業界領先的SWAP/成本優勢

經驗證，該MEMS技術優於FOG慣性技術。 最近我們將一款ADI IMU與一款價值3萬美元的FOG IMU進行了橫向對比，結果表明高性能MEMS技術有顯著進步，並且能達到與傳統FOG系統相似的性能，在關鍵的SWAP/成本參數方面的優勢要高出一個數量級。 

表3總結了這項行業研究的結果，其中，關鍵的MEMS航向性能參數與價值3萬美元的FOG器件的性能差異不到5%。

　　

在複雜和惡劣條件下保持關鍵性能

MEMS IMU設計中有三項關鍵因素，可確保抑制振動或其它外來信號輸入的相關錯誤運動偽像。 無論在內核感測器元件、子系統設計或是信號處理中，設計要求在本質上都需要抑制一切干擾運動，從而保持複雜運動條件下的信號完整性。 

為了進一步增強性能，iSensor MEMS子系統在部署時針對每一條測量軸均採用多個感測器，其中兩個感測器根據第二對感測器進行機械重定向，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。 

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為了保留內核感測器元件和子系統設計所實現的高性能，該器件以較高的資料速率進行資料處理。

這些器件的特性開發借鑒了多年的感測器、信號處理和應用經驗，可滿足器件在惡劣的航空電子、汽車和軍事環境下的耐用性與性能要求。 目前內核感測器為第三代，產品出貨量已超過1000萬片，用於高度可靠的高性能終端應用。

ADIS16485內核感測器處理元件將獲得DO178/254 DAL-B認證。硬體與軟體均遵循嚴格的規範、設計、驗證和認證流程，這些均嚴格管理並處於配置控制之下。 

ADI的內核慣性檢測技術量產已有三十年，而根據目前和未來的航空電子、國防以及工業應用等領域的設計需要，其ADIS1648X IMU系列預計產品生命週期將遠在2030年之後。 

同時，ADI進一步完善其性能領先的SWAP和具有成本優勢的MEMS技術，將應用範圍擴大到光纖和傳統軍事慣性檢測領域。