高精度低能耗—國(guó)外標(biāo)桿IMU分析
慣性傳感器是MEMS市場(chǎng)重要的產(chǎn)品類型，主要包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)，MEMS傳感器廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的各個(gè)領(lǐng)域。隨著在生活領(lǐng)域應(yīng)用的不斷豐富，傳感器感測(cè)多個(gè)物理信號(hào)的功能需求也變得越來(lái)越多。
如今，由分立的慣性傳感器組合成的三軸、六軸、九軸IMU，將加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等MEMS器件集成在一起，以滿足生產(chǎn)廠商更小體積、更低成本的要求，同時(shí)賦予用戶更豐富的使用體驗(yàn)。
博世BMI系列
博世在消費(fèi)類IMU領(lǐng)域可以算得上行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。旗下BMI系列IMU已經(jīng)從BMI055到BMI270迭代了多個(gè)版本，適用于多種不同應(yīng)用場(chǎng)景。
（BMI270，圖源：博世官網(wǎng)）
BMI270是博世針對(duì)可穿戴設(shè)備優(yōu)化的IMU，主打的是超低功耗。優(yōu)化主要針對(duì)可穿戴設(shè)備上直觀的活動(dòng)和手勢(shì)識(shí)別。這一款6軸的傳感器結(jié)合了16位三軸陀螺儀和16位三軸加速度計(jì)，沿用了博世久經(jīng)考驗(yàn)的陀螺儀技術(shù)，擁有極低漂移和低噪聲。
在這款I(lǐng)MU中，加速度計(jì)的零重力偏移為±20毫克，陀螺儀的零重力偏移在±0.5dps間。BMI270是業(yè)界首個(gè)采用靜止CRT功能的自校準(zhǔn)陀螺儀，通過(guò)補(bǔ)償ems典型的焊接漂移，確保焊接后的靈敏度誤差降至±0.4%。
BMI270能在不喚醒主系統(tǒng)處理器的情況下，獨(dú)立處理活動(dòng)跟蹤、計(jì)步和手勢(shì)識(shí)別等多個(gè)功能。這些獨(dú)立于處理器的功能包括在達(dá)到一定步數(shù)時(shí)發(fā)送中斷信號(hào)。BMI270主打的超低功耗，在強(qiáng)大且準(zhǔn)確的手勢(shì)和活動(dòng)識(shí)別功能下電流消耗僅為30μA。
TDK ICM系列
TDK的IMU分為由3軸加速度傳感器和3軸陀螺儀構(gòu)成的6軸IMU、進(jìn)一步組合氣壓傳感器的7軸IMU、再組合3軸羅盤的9軸IMU。TDK旗下IMU產(chǎn)品以相對(duì)精度、傳感器吞吐量和溫度穩(wěn)定性著稱。
以ICM-20602為例，該系列是組合了3軸陀螺儀和3軸加速計(jì)的6軸IMU，同時(shí)內(nèi)置16Bit ADC。ICM-20602具有±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps可編程FSR的三軸陀螺儀以及可編程FSR為±2g、±4g、±8g和±16g的三軸加速度計(jì)。
ICM-20602工作電路
該IMU陀螺儀靈敏度誤差范圍在±1%，陀螺儀噪聲僅為±4mdps/√Hz，而加速度計(jì)的噪聲在±100μg/√Hz，在靈敏度誤差范圍上TDK表現(xiàn)得一如既往的穩(wěn)定。同時(shí)該系列允許系統(tǒng)處理器通過(guò)讀取傳感器數(shù)據(jù)然后進(jìn)入低功耗模式來(lái)降低功耗。另外，該設(shè)備通過(guò)支持20000g shock提供了高魯棒性。
這一系列的IMU通過(guò)TDK專利CMOS-MEMS制造平臺(tái)（通過(guò)晶片級(jí)鍵合將MEMS晶片與配套CMOS電子器件集成），將封裝尺寸降低至3mm x3mm x0.75mm（16-pin LGA），在高性能低成本上是較為領(lǐng)先的。
意法半導(dǎo)體 LSM系列
以LSM系列里L(fēng)SM6DSL來(lái)做分析。
LSM6DSL各種傳感元件采用專門的微機(jī)械加工工藝制造，而IC接口則采用CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)。該技術(shù)允許設(shè)計(jì)專用電路，經(jīng)過(guò)修整以更好地匹配傳感元件的特性。LSM6DSL的滿標(biāo)度加速度范圍為±2/±4/±8/±16 g，角速率范圍為±125/±250/±500/±1000/±2000 dps，這一類行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)各廠商區(qū)別不大。
（ST LSM和ISM系列，圖源：ST官網(wǎng)）
在該系列公開(kāi)參數(shù)中，該模塊能在高性能模式下以0.65 mA電流低功耗運(yùn)行，正常模式下則為0.4 mA。對(duì)比上文的BMI270，好像看上去LSM6DSL功耗會(huì)略大，但值得注意的是，LSM6DSL提到了陀螺儀和加速度計(jì)低耗“Always-on” 這個(gè)概念，即該系列的陀螺儀和加速度計(jì)會(huì)常駐低耗狀態(tài)。
在節(jié)電設(shè)計(jì)上ST不得不說(shuō)下了不少苦功，設(shè)計(jì)了iNEMO 慣性模塊，即在IMU中內(nèi)嵌了機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核。MLC運(yùn)行一個(gè)傳感器內(nèi)置的分類引擎，卸載主處理器的負(fù)荷以運(yùn)行不同的任務(wù)，或者讓主處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)電，同時(shí)內(nèi)置的傳感器可以識(shí)別運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。ST始終保持著同類IMU最佳功耗水平。
小結(jié)
從國(guó)際一流的IMU廠商旗下的產(chǎn)品來(lái)看，基于MEMS加工工藝的IMU技術(shù)將向高度集成化方向、高性能方向、高組合化方向和低能耗方向發(fā)展。
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