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小型飞行器上常用的三款MEMS传感器

  机器人无人机  

cywen 2017-01-12

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MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem),微机电系统是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。可以把它理解为利用传统的半导体工艺和材料,用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术。所以它是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术平台。
  
他的优点在于相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术,可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

随着MEMS技术的发展,毫米级别的气压计、加速度计、控制芯片为无人机小型化提供了前提条件,使得便携式无人机的研发设计更加如鱼得水。今天我们就介绍这些小型的飞行器常用的三款MEMS传感器。


王者:MPU6000



MPU6000是飞行器传感器的王者,虽然新的传感器层出不穷,但是它的地位一直无法撼动。

PIXHawk飞行器的早期版本曾经抛弃了MPU6000,但是后来又不得不重新使用,因为这颗MEMS芯片已经被所有进行飞行器项目开发的爱好者们所接受。

MPU6000在一块4mm×4mm的芯片内部集成了三轴角速率陀螺和三轴加速度计,并且集成AD采集、解算核心,以及温度传感器。如此高的集成度在当时还是其他厂商望尘莫及的。而对于旋转矩阵、四元数和欧拉角格式的融合演算数据的输出更是降低了主控单片机解算姿态的计算量。

SPI和I2C双数字接口、3.3V与大部分单片机相同的供电电压(2.4V至3.4V)、4mA的最大功耗、可定制的传感器量程、-40℃至+85℃的工作温度……这些特性极大地方便了主控计算机的工作。难怪INVENSENSE自信地称这款产品为MPU(Motion Processor Unit,运动处理单元),并且在芯片型号后面不加任何后缀。

所有想深入进行飞行器开发的爱好者们都应该从这款芯片开始学习传感器的应用和航姿解算的基本算法,这是最简单有效的途径。OpenPilot的CC3D飞行器就给大家提供了很好的实例,它只利用了这一颗传感器,便做出了经典的飞行器产品。


传奇:MS5611




MS5611是传感器中的另一个传奇。芯片大小只有3mm×5mm,传感器精度高于很多的专业航空设备,且价格非常便宜。该传感器由瑞士的MEAS公司推出,在此之前,大多飞行器采用的是摩托罗拉的气压传感器,体积要大几倍,且不是贴片器件,需要“立”在电路板上,MS5611一经推出就立即成为所有飞行器气压测量的标配。

MS5611传感器响应时间只有1ms,工作功耗为1μA,可以测量10-1200mbar的气压数值。

MS5611具有SPI和I2C总线接口、与单片机相同的供电电压、-40℃至+85℃的工作温度、全贴片封装、全金属屏蔽外壳、集成24位高精度AD采集器等特性,这些特性使其非常适合在高度集成的数字电路中工作,所以成为了飞行器测试气压高度的首选。


经典:L3GD20




L3GD20的面积仅有4mm×4mm,注定其为移动设备而生。ST是最早一批开发MEMS芯片的厂家,也是最早发布陀螺产品的公司,但L3GD20还是晚来了一步。虽然它精度更高,但是风头已被MPU6000抢走。虽然没有集成三轴加速度计,但是凭借高精度角速率测量、大范围的自定义量程,以及更加低廉的价格,L3GD20逐渐为业界承认,以至于PIXHawk一度想用它取代MPU6000。当然,最终PIXHawk并没有实现替代的愿望,他们并存于这款飞行器之上,互为补充,成就了PIXHawk的冗余设计。

L3GD20具备与单片机相同的供电电压、-40℃至+85℃的工作环境温度、兼容I2C和SPI数字接口、内置可调低/高通滤波器电路、6mA的工作功耗,以及集成的温度传感器,这些同样可作为高集成电路角速率陀螺仪不错的选择。


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